Das große Potenzial der Galliumnitrid-Halbleiter

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Weil der HD-GiT-GaN-Schalter direkt angesteuert werden kann, lässt sich die Gate-Ansteuerung nach den jeweiligen Anforderungen an das du/dt bzw. di/dt entwerfen (selbstverständlich innerhalb der Grenzen, welche die Parasitären zulassen) – ein entscheidender Vorteil gegenüber einer Kaskode. Die laterale Struktur des GiT (Gate Injection Transistor) ist dazu beim schnellen Schalten vorteilhaft, denn deren parasitäre Kapazität ist deutlich niedriger als bei der vertikalen Struktur, wie sie bei herkömmlichen Silizium-basierten Leistungstransistoren (Superjunction-Lösung), zum Beispiel bei MOSFETs, meist verwendet wird (Bild 2). Der FOM (Figure-of-Merit) liegt also beim selbstsperrenden GiT bei 715 mΩ∙nC, also etwa einem Zehntel des Werts von modernen Siliziumbausteinen.

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Der Transistor lässt sich kontrollieren wie eine Mischung aus Feldeffekttransistor und (bi)polarem Transistor. Wie bei FETs hat man eine Schwellspannung, die zwischen Source und Gate angelegt werden muss, damit Elektronen unter dem Gate entstehen und freigesetzt werden können. Hierauf lässt man Strom in das Gate fließen, um die Leitfähigkeit der Leitschicht zu erhöhen und den Einschaltwiderstand so niedrig wie möglich zu halten.

Der Verstärkungseffekt der hierbei entsteht, führt zu einer erhöhten Freisetzung von Elektronen. Zum Ausschalten nimmt man die Spannung vom Gate weg, es fließt kein Gate-Strom mehr und der Transistor sperrt. Die Ladungsträger rekombinieren sich. Ungleich wie bei IGBTs führt das allerdings nicht zu messbaren Verzögerungen beim Ausschalten und auch nicht zu Leistungsverlusten durch Tail Currents (Bild 3).

X-GaN-GiT-Transistoren können Strom in umgekehrter Richtung fließen lassen, sobald das Source-, Gate- und Drain-Potenzial so eingestellt sind, dass Strom am Gate eingespeist wird (Bild 4). Ungleich wie bei MOSFETs fließt hier der Strom nicht durch eine parasitäre Body-Diode, sondern wird durch den Kanal geleitet.

Obwohl die Schwellenspannungen an eine Diode erinnern, sind sie im dritten Quadranten der statischen IV-Kurve nicht die eingebaute Spannung eines Übergangs, sondern einfach die Schwellenspannung des Transistors plus jeder negativen Vorspannung, die an das Gate angelegt wird. In gleicher Weise wie ein MOSFET kann das GiT dann in umgekehrter Richtung eingeschaltet werden, um die Verluste weiter zu reduzieren, indem man im 0-versetzten Zustand arbeitet.

Dank der im Transistor gespeicherten niedrigen Rückspeiseladung und aufgrund der schnellen Rekombinationen in GaN, erholt sich das GiT extrem schnell von einem umgekehrten Leitungsbetrieb. Der Vorteil ist, dass die Recovery-Energie deckungsgleich ist mit der Energie, die für das Aufladen der Ausgangskapazität benötigt wird. Die Leitungs- und Wiederherstellungsleistungen des GiT in dieser Betriebsart sind deutlich geringer als das, was eine diskrete antiparallele SiC-Diode liefert.

Kein Current Collapse aufgrund der HD-GiT-Struktur

Entwickler von Galliumnitrid-Bauelementen sind mit dem Phänomen des Current Collapse konfrontiert. Verantwortlich dafür sind sogenante Traps, Defekte im Kristall oder an den Schnittstellen zwischen Schichten, wo Leit-Elektronen gefangen bleiben, wenn der Transistor unter V_ds-Spannung steht, und die dafür sorgen, dass der R_DS(on) bei wiederholten Schaltvorgängen sich erhöht. Dies führt zu bauartbedingten Verlusten und Zerstörung der Komponenten.

Bisher ist Panasonic der einzige Anbieter von GaN-Bauelementen, der die vollständige Eliminierung des Current-Collapse öffentlich bekannt gegeben hat. Bild 5 zeigt den Ansatz von Panasonic, das Problem des Current-Collapse zu lösen. Dabei werden Löcher in den GaN-Bauelementen injiziert, die sich mit den eingefangenen Elektronen rekombinieren.

Um Löcher in das Bauelement zu injizieren, wird eine zusätzliche p-dotierte Schicht nahe dem Drain aufgebracht und elektrisch leitend mit dem Drain verbunden. Der HD-GiT verwendet zudem ein vertieftes Gate, damit die AIGaN-Schicht dicker und so eine Ladungsträgerverarmung unter dem p-dotierten Bereich vermieden wird. Beim HD-GiT wurden dieselben Schalteigenschaften nachgewiesen, die herkömmliche GiT aufweisen.

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