HV-Si-MOSFETs im Vergleich zur SiC- und GaN-Technologie

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Silizium im Vergleich SiC und GaN (WBG-Material)

Nachdem wir besprochen haben, wie sich die Siliziumtechnologien unterscheiden, ist nun die wesentliche Frage: „Wie schneidet die Siliziumtechnologie im Vergleich zu SiC und GaN ab?“. Um diese Frage zu beantworten, vergleichen wir WBG-Material mit Si und betrachten die Unterschiede der Technologien im Bezug auf Herstellung, Leistung und Preis. Großer Bandabstand bezieht sich auf die Energie, die ein Elektron für den Übergang vom oberen Ende des Valenzbandes zum unteren Ende des Leitungsbandes im Halbleiter benötigt. Materialien, die in der Regel Energien von mehr als ein bis zwei Elektronenvolt (eV) benötigen, werden als Materialien mit großem Bandabstand oder WBG-Materialien bezeichnet.

Für Schaltleistungsanwendungen werden hauptsächlich SiC-Bauelemente in Form von Schottky-Dioden mit Spannungen von 600 bis 1200 V bei bis zu 40 A (manche bis zu 1700 V) verwendet, einige selbstsperrende JFETs und ein paar 1200-V-MOSFETs. Was die GaN-Bauelemente anbelangt, so bieten einige Hersteller selbstsperrende AlGaN-GaN-HFETs bis zu 200 V an.

Die Charakteristik des elektrischen Feldes

Die hohe kritische Feldstärke von GaN und SiC im Vergleich zu Si ist die Eigenschaft, die diesen Bauelementen den Betrieb bei höheren Spannungen und geringeren Leckströmen ermöglicht (sie können ein zehnmal größeres elektrisches Feld handhaben als Si). Das erlaubt den Einsatz von dünneren (das 0,1-fache von Siliziumelementen), höher dotierten (zehnfache Dotierungskonzentration) Driftschichten, was einen geringeren On-Widerstand zur Folge hat – in der Regel höchstens ein Zehntel von dem bei Si-Elementen mit derselben Sperrspannung.

Die Materialqualität von SiC und GaN konnte in den letzten Jahren deutlich verbessert werden. Die für Schaltanwendungen infrage kommenden Bauelemente benötigen eine Epitaxieschicht aus SiC oder GaN, die entweder auf einem Substrat aus dem gleichen Material (Homoepitaxie) oder einem anderen Material (Heteroepitaxie) aufgewachsen oder abgelagert worden ist. Die Herstellung von homoepitaxialen SiC-Elementen entspricht insofern der von Silizium-Elementen, als die SiC-Epitaxieschicht auf einem SiC-Substrat gebildet wird. SiC-Substrate und Epitaxialwafer werden von einer Reihe von Unternehmen hergestellt.

Heute sind auch GaN-Substrate erhältlich, die vor allem für die Herstellung von blauen Laserdioden auf 2-Zoll-Wafern verwendet werden, dem neuesten technischen Stand für dieses Material. Homoepitaxiale GaN-Wafer bieten Vorteile gegenüber heteroepitaxialen Ansätzen für GaN-basierte Bauelemente. Die Produktionsprozesse für hochwertige epitaxiefertige GaN-Substrate mit geringer Fehlerrate stehen jedoch noch am Anfang ihrer Entwicklung und sind bei Weitem noch nicht so ausgreift wie die für SiC-Substrate.

Aktuell reichen die Durchmesser von Wafern bei homoepitaxialem SiC von 4 bis 6 Zoll, bei heteroepitaxialen GaN-auf-SiC- und GaN-auf-Si-Wafern liegen sie bei 3 Zoll (mit Tendenz zu 6 Zoll). Die Kosten für GaN-auf-SiC-Wafer sind um etwa 20% höher als die für ihre SiC-auf-SiC-Pendants. Im Hinblick auf die Bauelementeproduktion ist die Fehlerrate bei GaN-auf-SiC- oder GaN-auf-Si-Wafern höher als bei ihren SiC-auf-SiC- und Si-auf-Si-Pendants. Das ist ein wichtiger Aspekt, da Leistungsbauelemente anders als einfache Dioden oder LEDs sehr empfindlich auf Fehler reagieren. Darüber hinaus hat GaN-auf-Si eine Abweichung von 2-zu-1 im Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) an der Epitaxiegrenzschicht, was beim Lastwechseln (Power Cycling) ein Problem sein kann. Das ist ein weiterer Grund dafür, dass zusätzliche Materialschichten erforderlich sind, um das Bauelement mechanisch stabil zu machen.

Um die Body-Diode in Si-basierten MOSFETs zu beschleunigen, wurden zwei weitere Schritte integriert. Da die SiC SBD eine niedrige Sperrverzögerungsladung (Qrr) und Sperrverzögerungszeit (Trr) hat, zeigt die Body-Diode des SiC-MOSFET dasselbe Verhalten. Daher ist eine zusätzliche Bearbeitung nicht erforderlich und sie kann für weiche Schaltvorgänge verwendet werden. Laterale GaN-JFETs wiederum haben keine Body-Dioden. Um ein Bauelement mit schneller Body-Diode zu erstellen, müsste also eine externe Schottky-Diode (SiC oder GaN) oder eine schnelle Recovery-Epitaxialdiode (FRED, Fast Recovery Epitaxial Diode) verwendet werden.

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