Rohm: Interview mit SiC-Chef Dr. Ino Siliziumkarbid weiter auf dem Vormarsch

Dr. Verena Winkler, Dr. Kazuhide Ino und Ralf Higgelke (v.l.n.r.) vor einem Formel-E-Rennwagen, in dessen Umrichter SiC-Schottky-Dioden verbaut sind.
Dr. Verena Winkler, Dr. Kazuhide Ino und Ralf Higgelke (v.l.n.r.) vor einem Formel-E-Rennwagen, in dessen Umrichter SiC-Schottky-Dioden verbaut sind.

Momentan blicken alle auf Galliumnitrid. Hat Siliziumkarbid etwa nichts Neues zu bieten? Doch, aber es ist weniger spektakulär. DESIGN&ELEKTRONIK sprach mit Dr. Kazuhide Ino, Leiter der SiC-Abteilung bei Rohm, über die material- und produktspezifischen Besonderheiten.

DESIGN&ELEKTRONIK: Mit SiC und GaN gibt es zwei konkurrierende Wide-Bandgap-Materialien für Leistungshalbleiter. Werden diese um die Vorherrschaft kämpfen oder jeweils andere Märkte bedienen?

Dr. Kazuhide Ino: Ich denke, sie werden jeweils andere Märkte bedienen, denn beide Materialien haben doch unterschiedliche Charakteristika und Bauteilstrukturen. Die NEDO, Japans größte öffentliche Einrichtung im Bereich Forschungs- und Entwicklungsmanagement, geht davon aus, dass sich Galliumnitrid für Niederspannungsanwendungen bis einige hundert Kilowatt und für hohen Schaltfrequenzen bis einige Gigahertz etablieren wird. Siliziumkarbid dagegen wird Hochspannungsanwendungen mit bis etwa zehn Megawatt und mit niedrigeren Schaltfrequenzen bis zu einigen Megahertz bedienen. Natürlich gibt es einige Überschneidungen, in denen beide Bausteintechnologien miteinander konkurrieren werden, beispielsweise Ladestationen. Bei Rohm sind GaN-Bausteine noch im Laborstadium, wir arbeiten hart daran, schon bald erste Bausteine auf den Markt zu bringen.

Siliziumkarbid ist polymorph, d. h., es gibt verschiedene Kristallmodifikationen, wie Alpha- (2H) und Beta-Phase (3C). In technischen Anwendungen kommen häufig 4H oder 6H vor, kristallografisch eine Mischung aus kubischer und hexagonaler SiC-Kristallstruktur. Welche Modifikation ist für technische Anwendungen von Bedeutung?

Für die Leistungselektronik ist die 4H-Phase wichtig. Im Unterschied zu anderen SiC-Kristallmodifikationen, zeichnet sich 4H vor allem durch eine hohe Elektronenmobilität und eine hohe Betriebssicherheit in Hinblick auf die Gate-Oxidation aus.

Welcher Schritt der Kristallzüchtung ist aus Ihrer Sicht am schwierigsten?

Beim Herstellungsprozess der SiC-Wafer ist die Kristallzüchtung an sich der schwierigste Teilprozess. Da immer höhere Produktionsmengen in der Wafer-Herstellung gefordert sind, muss diese in immer kürzerer Zeit stattfinden, bei gleichzeitig niedriger Defektkonzentration im Einkristall. Die Gate-Oxidation ist sehr wichtig, um eine hohe elektrische Leistung und Betriebssicherheit der SiC-Endgeräte zu realisieren.

Die Kristalldefekte, die bereits im Impfkristall vorhanden sind, setzen sich während des Wachstumsprozesses fort. Welche Arten von Kristalldefekten gibt es und wie reduzieren Sie diese?

Auch wenn wir unsere Technologie stetig verbessern, lassen sich Defekte nicht ganz vermeiden. Deren Konzentration lässt sich jedoch durch Optimieren des Produktionsprozesses verringern – ein schwieriger und zeitraubender Prozess. Mit einer bestimmten Konzentration an Kristalldefekten muss man eben einfach fertig werden. Die häufigsten Defekte sind zweidimensionale Stapelfehler. Wir managen die Ausweitung bzw. Fortsetzung solcher Kristallfehler durch den Herstellungsprozess. Wird die Ausdehnung des zweidimensionalen Stapelfehlers gestoppt, lässt sich die Betriebssicherheit des SiC-Bausteins erhöhen.

Auf der APEC 2016 legte Alex Lidow, CEO des Chipherstellers EPC, Zahlen vor, wonach dessen GaN-Schalter eine Ausfallrate von 0,2 FIT nach 17 Milliarden Betriebsstunden hätten. Wie hoch ist Ihre FIT-Rate?