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

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Laterale versus vertikale Bauelemente

Da laterale Bauelemente nur mittels GaN-Technologie hergestellt werden können, nimmt bei Erhöhung von Spannungs- und Stromwerten die Größe des Bauelementes mehr als bei vertikalen SiC-Bauelementen zu. Produkte mit GaN auf Si wird von einigen Unternehmen entwickelt; einige Lösung sind bereits auf dem Markt. Das Herstellen des Produktes auf Si reduziert seine Gesamtkosten und ermöglicht den Herstellern, schneller zu Wafern mit größeren Durchmessern überzugehen.

Da so nur laterale Bauelemente entwickelt werden können, sind das im Wesentlichen normalerweise selbstleitende JFETs, ausgelegt für einen selbstsperrenden Betrieb. Die Tatsache, dass die Entwicklung selbstsperrender JFETs nicht im selben Maße vorangetrieben wird wie die der Si/SiC-MOSFETs, kann man durchaus als Nachteil ansehen. Zurzeit sind selbstsperrende JFET-Bauelemente bis 200 V in GaN erhältlich.

Die geringe Übertragungssteilheit von SiC aufgrund der geringen Umkehrbeweglichkeit muss bei der Konstruktion der Gate-Steuerschaltung sorgfältig berücksichtigt werden. Die Gate-Ansteuerung muss einen Hub von (mindestens) 22 V erbringen können. Für den MOSFET CREE CMF10120D ist die empfohlene VGS im Durchlasszustand +20 V, und die empfohlene VGS im Sperrzustand liegt zwischen -2 und -5 V. Für Anwendungen mit höherer Leistung ist eine höhere Sättigungsdriftgeschwindigkeit der Elektronen von Vorteil, wenn die Trägergeschwindigkeit zunimmt, um die Energie nicht auf das Gitter der Struktur zu übertragen.

So wie der spezifische On-Widerstand bei Si-, SiC- und GaN-Technologien mit der Zeit abnimmt, tun das auch die Kapazitäten. Geringere Kapazitäten und Ladungen sind ideal, da weniger Energie benötigt wird, um das Bauelement einzuschalten. Allerdings erhöht sich auch die Abschaltleistung. Das bedeutet, dass dv/dt zunimmt bis zu dem Punkt, an dem Überschwingen und elektromagnetische Interferenz (EMI) ein Problem werden können. Die Entwickler mussten die heutigen Superjunction-Si-Bauelemente verlangsamen, um für verschiedene Spannungen die gewünschte Leistung zu erzielen. Da SiC und GaN niedrigere spezifische On-Widerstände haben, ergeben sich für denselben On-Widerstand kleinere Chipgrößen und Kapazitäten. Das gilt als weitere Herausforderung bei der Verwendung von SiC und GaN für Schaltanwendungen.

Ein wesentlicher Nachteil von WBG-Bauelementen sind die Kosten. Diese Kosten werden mit der Zeit sinken. Da die Leistung der Superjunction-Technologie jedoch durch das Verringern des spezifischen On-Widerstandes und das Anbieten von Wafern mit größeren Durchmessern weiter zunimmt, wird sie immer einen Kostenvorteil haben. SiC-Produkte (in der Hauptsache Schottky-Dioden) verwenden heute 4-Zoll-Material. Man wird sie auf 6-Zoll-Wafern herstellen müssen, wenn die MOSFETs in kommerziellen und Automotive-Anwendungen erfolgreich sein sollen. Aber auch wenn SiC und GaN teurer sind, bieten sie doch einige Vorteile gegenüber Si.

Die Zukunft der Werkstoffe und ihr Marktanteil

Für Material und Verarbeitung werden bei konventionellen Planar- und Superjunction-Bauelementen die Gesamtkosten stets niedriger sein als bei SiC und GaN. Die konventionelle Planar-Technologie deckt zurzeit über 50% des gesamten erreichbaren Marktes für Hochspannungs-MOSFETs ab und stellt eine robuste Technologie mit hohem Gebrauchswert dar. Der Marktanteil der Superjunction-Technologie wächst schneller als der der konventionellen Planar-Technologie. Bei einer jährlichen Wachstumsrate von 23% in den nächsten fünf Jahren wird er 2015 etwa 1,3 Mrd. US-$ erreichen. Auch wenn die traditionelle Planar-Technologie die Silizium-Grenze erreicht hat (Ende der Miniaturisierung in SI), gehen wir aufgrund des Preises und der Komplexität bei Herstellung, Leistung und Anwendungen nicht davon aus, dass SiC und GaN die Si-Technologie ersetzen werden. Auch weist die Superjunction-Technologie ein nicht unerhebliches Entwicklungspotenzial auf.

* Philip Zuk ist Director of Market Development, High-Voltage MOSFET Group, Vishay Siliconix, Santa Clara (Kalifornien/USA).

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