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Auch die Qualität der kommerziell verfügbaren 1200-V-SiC-MOSFETs hat sich in den letzten Jahren dramatisch verbessert: Die Kanalmobilität ist auf ein gutes Niveau gestiegen, die Oxidlebenszeiten haben für die meisten Mainstream-Industrie-Designs ein akzeptables Niveau erreicht und Schwellenspannungen sind zunehmend stabil geworden. So hat eine beschleunigte TDDB-Messung (Time Dependent Dieletric Breakdown) beim NIST (National Institute of Standards and Technology) für die MOS-Technologie von Monolith eine Oxidlebensdauer (auch bei Sperrschichttemperaturen von über 200 °C) von mehr als 100 Jahren ergeben.

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Bei diesen Tests wurden die Beschleunigungsfaktoren des angelegten elektrischen Feldes für das Oxid auf mehr als 9 MV/cm und die Sperrschichttemperatur auf 300 °C gebracht. Zum Vergleich: Oxid-elektrische Felder liegen in der Praxis bei etwa 4 MV/cm, und die Sperrschichttemperaturen sind typischerweise niedriger als 175 °C. Bemerkenswert ist auch, dass das NIST keine temperaturabhängigen Beschleunigungsfaktoren bei SiC-MOS von Monolith verzeichnet hat, auch wenn diese gewöhnlich in Silizium-MOS beobachtet werden.

Auch die Stabilität der Schwellenspannung dieser MOSFETs wurde überzeugend nachgewiesen. HTGB-Tests (High Temperature Gate Bias) wurden bei einer Sperrschichttemperatur von 175 °C und mit negativen (V_GS = –10 V) (Bild 2 links) und positiven (V_GS = 25 V) (Bild 2 rechts) Gate-Spannungen durchgeführt.

Sperrspannung und Off State Leckage zeigen sich als stabil

Ebenso erwiesen sich Sperrspannung und Off-State-Leckage diesen MOSFETs bei HTRB-Zuverlässigkeitstests (High Temperature Reverse Bias) als langfristig stabil. Im Hinblick auf die Robustheit zeigen vorläufige Messungen eine Kurzschluss-Widerstandszeit von mindestens 5 µs und einen Avalanche-Effekt von 1 J (Bild 3). SiC-MOSFETs sind aktuell noch teurer als vergleichbare Silizium-IGBTs.

Allerdings sehen Entwickler beim derzeitigen Preisniveau gegenüber Silizium-IGBTs bereits erhebliche Preisvorteile auf Systemebene. Sei es auch beim Einsatz diskreter SiC-Komponenten gegenüber teureren IGBT-Modulen. Die SiC-MOSFET-Preisgestaltung dürfte zunehmend attraktiver werden, da sich aus 150-mm-Wafern und dem Rest der SiC-Lieferkette Größenvorteile ergeben.

Aus SiC-Systemen die maximale Leistung herausholen

Um die maximale Leistung aus Hochspannungs-SiC-MOSFETs und Dioden herauszuholen, ist mehr erforderlich als nur die Implementation in eine Anwendung. Beispielsweise muss für die Halbleiter ein geeignetes Evaluation Board zur Verfügung stehen, das entsprechend für die Verwendung mit SiC-Komponenten ausgelegt ist, minimale parasitäre Induktivitäten aufweist und eine präzise Messung von Spannungs- und Stromformen unterstützt. Darüber hinaus ist sorgfältig optimiertes Gate-Treiber-Design notwendig.

Ebenso wie ein bestmöglich abgestimmtes Layout, das das Einkoppeln von Rauschen minimiert. Das Toolkit von Littlefuse und Monolith für die dynamische Charakterisierung (Bild 4) beschleunigt die Entwicklung, da Konstrukteure das Schaltverhalten von SiC-Komponenten genau charakterisieren und es über die Anpassung der Gate-Treiber-Parameter optimieren können.

Der 5-kW-Evaluation-Konverter (Bild 5) von Littlefuse und Monolith hilft dabei, den Entwurf des Leistungswandlers ebenso wie den Layout-Prozess zu beschleunigen. Weiterhin hilfreich für die Entwicklung ist die modulare Design-Strategie und Leistungskomponenten, die alle eine ähnliche Grundfläche besitzen, um eine ebenso vielseitige wie anpassungsfähige Basis für Tests bereitzustellen. Fazit: SiC-Dioden und SiC-MOSFETs setzen sich immer stärker durch und zeigen das Potenzial, den Massenmarkt erfolgreich zu erobern.

* Corey Deyalsingh ist Director Leistungshalbleiter bei Littelfuse Inc, Dallas/Texas. Sujit Banerjee ist CEO und Mitgründer von Monolith Semiconductor Inc, Round Rock (bei Austin)/Texas.

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