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18 www.elektronikjournal.comelektronikJOURNAL 04a/2010

Leistungsbauteile und -module

Kampf der GigantenSiliziumkarbid versus Galliumnitrid

Hallo Edi, mit Deinen Ideen zu einem neuen DC/DC-Wandler liegst Du ja voll im Trend, zum Beispiel im Hinblick auf EV und HEV, auch wenn Deine Anforderungen – kleiner, effizienter, wirtschaftlich und zuverlässig – auf den ersten Blick so aussehen, als versuchtest Du die Quadratur des Kreises. Aber mit SiC und GaN stehen zwei Materialien in den Start-blöcken, die versuchen, diesen Anforderungen gerecht zu werden. Beide Materialien können die elektrischen Eigenschaften von Hoch-volt-Leistungsmosfets mit Durchbruchspannungen von mehr als 200 Volt wesentlich verbessern, wobei sich GaN im Vergleich zum SiC als überlegen erweist, sowohl im Hinblick auf die physikalischen Eigen-schaften als auch im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit: Beide Mate- rialien weisen derzeit einen um mehr als eine Größenordnung gerin-geren On-Widerstand R

DS(on) auf als reine Si-Bauteile, allerdings ist das theoretische Limit von GaN noch kleiner als das von SiC. Da sich zudem in beiden Fällen die Bauteile aufgrund kleiner Gateladungen QG ver-gleichbar schnell schalten lassen, lassen sich auf Dauer die leis-tungsfähigsten Hochvolt-Bausteine mit GaN realisieren. Insbesondere für DC/DC-Wandler bedeutet die Kombination aus kleinsten RDS(on)- und QG-Werten beim GaN die Möglichkeit, die Effizienz der Wandler erheb-lich zu steigern und die Verluste im Bauteil zu minimieren. Im Zusam-menspiel mit höheren Betriebstemperaturen, bei denen die Mosfets

betrieben werden können, resultieren die geringeren Verluste in einem minimierten Kühlaufwand und einer höheren Zuverläs-sigkeit für die Bauteile. Zudem können, durch eine Erhöhung der Schaltfrequenz, kleinere externe Komponen-ten (etwa Spulen) verwendet werden – ein indirekter Effekt auf die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems. Auch in Hinsicht auf direkte Wirtschaftlichkeit und Qualität bietet GaN Vorteile gegenüber SiC. SiC-Komponen-ten basieren auf SiC-Wafern als Grundmate-rial, die hohe Kosten verursachen. Bei GaN-Bausteinen hingegen kommen Standard-Siliziumwafer zum Einsatz, auf die das GaN epitaktisch aufge-tragen wird. So steht ein günstiges, gut erprobtes Grundmaterial für GaN-Leistungsmosfets zur Verfügung, das sich mit großer Zuverlässigkeit in der Großserie gut verarbeiten lässt. Renesas entwickelt Leistungsmosfets auf GaN-Basis für den Industrie-, Consumer- und Automotivebereich.

Dr. Felix Hüning, Senior Engineer Power Semicon-ductors Product Unit in der Automotive Business Group von Renesas Electronics in Düsseldorf.

Vorteil Pro GaN: Das Material kann sich in Hinblick auf physikalische Eigenschaften und Wirtschaftlichkeit im Vergleich zu SiC behaupten.

Renesas Electronics Europe

Galliumnitrid – sic transit gloria SiC

Sein oder nicht sein – das ist hier natürlich keine Frage. Sondern: Setzen Sie bei einem Leistungshalbleiter auf Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) als Material? Shakespearschen Charakter hat diese Entscheidung allemal, geht es doch darum, den leistungs-stärksten Baustein zu finden.

Vor gut zwei Jahren konnte das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE mit 98,5 Prozent einen Weltrekord für Photovoltaik-Wechselrichter aufstellen. Der ließ sich mit Siliziumkarbid-Mosfets des amerikanischen Herstellers Cree bewerk-stelligen. Die sorgten nämlich für bis zu 50 Prozent weniger Leistungsverluste im Endgerät. Dieser Fakt spricht sehr deutlich für die chemische Verbindung aus Sili-zium und Kohlenstoff. Wozu also ein für die Leistungselektronik mehr oder weni-ger neu zum Einsatz kommendes Material wie GaN verwenden? Noch dazu eines von dem bekannt ist, dass es über keine Eigensubstrate verfügt?

Doch schauen wir auf Edis Problematik. Er möchte nämlich einen DC/DC-Wandler designen, der so energieeffizient wie möglich ist und darüber hinaus mit kleinen Maßen sowie hoher Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit überzeugt. Also braucht Edi einen Leistungsbaustein, der energieeffizient durch niedrige sta-tische und dynamische Verluste und einen hohen Wirkungsgrad ist, Platz auf der Leiterplatte spart und mit einem optimalen Wärmemanagement glänzt. Bei seinen Recherchen stieß er schließlich auf GaN und kam trotz genanntem Nachteil ins Grübeln. Und das zu Recht, wenn er auf den Expertenrat hört.

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Leistungsbauteile und -module

Hallo Edi, Du fragst Dich zu Recht, ob Silizium das Non-Plus-Ultra für eine effiziente Leistungskomponente ist. Denn mit Galliumnitrid steht ein Halbleitermaterial mit glänzenden Zukunftsaussichten zur Verfü-gung: Überall dort, wo robuste, effiziente, temperaturunempfindliche, spannungsfeste oder strahlungsresistente Elektronik benötigt wird, kön-nen Entwickler auf dieses Material zurückgreifen. Ein Beispiel wären Leistungstransistoren mit Betriebsfrequenzen im Gigahertz-Bereich. Diese sind Schlüsselbauelemente in den Basisstati-onen der Mobilfunknetzwerke. Prognosen zufolge ersetzen zukünftig Transistoren auf GaN-Basis die bislang zum Einsatz kommenden Silizi-um-Transistoren. In einer Kooperation mit NXP und UMS entwickeln wir die Technologie für GaN-Transistoren mit Ausgangsleistungen von über 100 Watt. Diese weisen im Vergleich zu Silizium-Transistoren eine vier-

fach höhere Leistungs-dichte auf. Zudem lie-ßen sich ein Fortschritt

im Hinblick auf den effizienten Betrieb bei hohen Versorgungsspannungen sowie eine hohe Robustheit gegenüber starker elek-trischer Fehlanpassung erzielen. Die zentrale Herausforderung heutzuta-ge ist die Energieeffizienz, die in Abhängig-keit zu den Leistungsverlusten steht. Um die Verluste zu minimieren, muss in der Regel die Spannung erhöht werden, damit sich die ohmschen Verluste reduzieren las-sen. Hier kann Galliumnitrid im Vergleich zu anderen Halbleitermateri-alien aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften erheblich punkten. Es verfügt nämlich über einen hohen Bandabstand von zirka 3,5 Elektro-nenvolt, woraus eine hohe Spannungsfestigkeit und ein hoher Betriebs-temperaturbereich resultieren. Mit modernen Epitaxie-Methoden lassen sich maßgeschneiderte Schichtstrukturen herstellen. Diese sorgen für eine hohe Beweglichkeit der Elektronen, was zu einem verlustarmen Transport der Ladung durch das Bauelement führt.

Prof. Dr. Oliver Ambacher ist Direktor des Frauhofer IAF in Freiburg.

Vorteil GaN-Transistoren überzeugen mit hoher Leistungsdichte, effizi-entem Betrieb bei hohen Versorgungsspannungen und hoher Robustheit.

Fraunhofer IAF

Glänzende Zukunftschancen

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Vollständig prozessierte GaN-Bauelemente auf Siliziumkarbid-Substrat.

Leistungsbauteile und -module

Lieber Edi, die Technologie von Leistungsbauteilen auf Basis von Galli-umnitrid macht rasche Fortschritte und weitet ihre Anwendbarkeit auf ein breites Spektrum von Applikationen der Leistungselektronik, speziell in Stromversorgungen, aus. Kennzeichnend für das GaN-auf-Silizium-Substrat ist die Skalierbarkeit in Leistungswandlertopologien niedriger und hoher Spannung sowie eine im Vergleich zu Silizium-basierten Bau-elementen erhebliche Verbesserung des Gütefaktors. Dadurch, dass sie in jeder Stufe der Leistungsumwandlung die Verluste reduzieren, leisten primäre und sekundäre GaN-basierte Bausteine einen Beitrag zur Stei-gerung des Wirkungsgrads jeder beliebigen Stromversorgung. Die Verbesserungsmöglichkeiten sämtlicher auf Silizium-Mosfets be-ruhenden Topologien sind an sich eingeschränkt. Basierend auf moder-nen aktiven und passiven Bauelementen, setzen beschränkte Integrati-onsmöglichkeiten der Weiterentwicklung der Technologie eine Grenze. Die Wandlerstufen jeder Stromversorgung lassen sich auf Basis wohl-bekannter Topologien entwickeln, wie Sperrwandler, Gegentaktwandler,

Alberto Guerra ist Vice President Strategic, Market Development bei IR in El Segundo, Kalifornien.

Vorteil GaN-basierte Bausteine reduzieren in jeder Stufe der Leistungs-umwandlung die Verluste und steigern so die Effizienz des Endproduktes.

International Recitifier

Nulla dies sine linea

Die Grafik zeigt einen Vergleich des spezifischen On-Widerstands von Silizium, Siliziumkarbid und Galliumnitrid.

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Vollbrücke, Verstärker und Synchrongleich-richtung für die Ausgangsstufe. Zur Verbes-serung des Gesamtwirkungsgrads der Um-wandlung benötigen diese Topologien Leis-tungs mosfets mit niedrigem spezifischen Gütefaktor. Halbleiter mit breiter Bandlücke wie GaN, SiC und darauf basierende Leistungs-transistoren haben deutliche Performance-vorteile gegenüber Siliziumbauteilen. GaN-basierte Leistungstransistoren zeigten im Vergleich zu Silizium eine klare Verbesserung des Gütefaktors, und zwar über einen weiteren Spannungsbereich, als ihn SiC zu bieten vermag. Zudem sind Verbesserungen um Größenordnungen möglich! Weil die GaN-Epitaxie auf Si-Substraten basiert, stehen jederzeit große Durch-messer in hohen Stückzahlen und zu geringen Kosten zur Verfügung. SiC-JFET hingegen sind lediglich auf kleineren Substraten erhältlich, wobei hohe Kosten entstehen. Dabei ist nicht nur die beschränkte Ska-lierbarkeit in den Spannungsbereichen ein hemmender Faktor, auch die grundsätzliche Verfügbarkeit des Materials ist ein Nachteil. IR hat mit seiner GaNpowIR-Plattform eine proprietäre GaN-on-Si-Hetero-Epitaxie auf den Markt gebracht. Aufgrund des kostengünstigen 150-Millimeter-Siliziumwafer-Substrats und des CMOS-kompatiblen Fertigungsprozesses stellt sie bereits heute eine kommerziell verfüg-bare Fertigungsplattform für hohe Volumina dar. Die Plattform verwen-det standardmäßige Fertigungsverfahren für hohe Stückzahlen, und ihre Bauteile unterliegen umfassenden Zuverlässigkeitsuntersuchungen. Der Einsatz von Industriestandard-Qualitätsprogrammen mit standard-mäßigen Produktzuverlässigkeitstests zur Bausteinqualifizierung, die mehre Tausende Stunden erreichen, stellen den sicheren und zuverläs-sigen Einsatz der GaNPowIR-Produkte von IR sicher.