STMicroelectronics Verbindungshalbleiter SiC und GaN sind Silizium auf den Fersen

In einzelnen Bereichen der Leistungselektronik konkurrieren SiC und GaN schon mit Silizium. Vor allem in puncto Betriebssicherheit, Prozesssteuerung und Materialqualität haben die Verbindungshalbleiter stark aufgeholt. Auch die Herstellungskosten werden in einigen Jahren gleichziehen.

Die Verbindungshalbleiter Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) finden in der Leistungselektronik vielfältige Anwendung. Sie werden beispielsweise in der Hochspannungstechnik oder für Hochtemperaturanwendungen verwendet. SiC- und GaN-basierte Anwendungen haben hinsichtlich der Materialqualität, Prozesssteuerung und Zuverlässigkeit aufgeholt in Bezug auf Silizium.

In wenigen Jahren haben sich SiC-Halbleiter, wie Power-Schottky, »JFET« (Sperrschicht-Feldeffekttransistor) oder »MOSFETs« (Metall-Oxid-Halbleiter Feldeffekttransistor) von einer akademischen Kuriosität zu kommerziell genutzten Produkten mit hoher Leistungsfähigkeit und erprobter Zuverlässigkeit entwickelt. Fortschritte in Bezug auf die Substratqualität, die epitaktisch aufgetragenen Kristallschichten und die Steuerung der Defektkonzentration im Einkristall führten zu einer gestiegenen Ausbeute und zu Produkten mit hoher Zuverlässigkeit.

Auch GaN ist der Grundlagenforschung längst entwachsen und konkurriert in Teilbereichen mit Si-Halbleitern. Ein Beispiel sind »GaN HEMT« (High-Electron-Mobility-Transistor). Mittlerweile lassen sich epitaktisch gewachsene GaN-Schichten auf Silizium abscheiden. Dies öffnet den Zugang zu kombinierten Applikationen mit beiden Halbleitermaterialien. Schwächen zeigen GaN-Halbleiter noch in der Hochspannungstechnik (≥ 600 V), vor allem was Robustheit und Betriebssicherheit anbelangt.

STMicroelectronics hat 2014 den ersten SiC-MOSFET auf den Markt gebracht, der bis zu einer Sperrschichttemperatur von 200 °C arbeitet. Es handelt sich bei diesem Bauteil um einen 1200-V-Schalter mit 80 mΩ Durchlasswiderstand.

SiC: Leistung, Zuverlässigkeit und Kosten

Im Entwicklungsprozess des Bauteils gelang es, die Qualität der Grenzfläche zwischen SiO2 und SiC zu verbessern. Daraus resultiert eine höhere Ladungsträgerbeweglichkeit bei gleichzeitig geringerer Dichte der Rest-Grenzflächenzustände. Durch Verwendung eines »Tg Molding Compound« ist die uneingeschränkte Betriebssicherheit bis 200 °C gewährleistet. Bild 1 zeigt die Fowler-Nordheim-Charakteristik eines solchen 1200-V-SiC-Power-MOSFETs.

Signifikante Änderungen der Charakteristika wurden auch nach 3000 Betriebsstunden nicht beobachtet. Der Drift-Report der Schwellenspannung (Vth) während der Zuverlässigkeitstests ist in Bild 2 wiedergegeben. Summa summarum gilt: Die beobachtete Drift ist gering und wurde während der Messzeit verhältnismäßig schnell gesättigt.