Von einer Übergangstechnologie zu neuen Standards

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Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik

Materialien mit einer breiten Bandlücke

Seit wenigen Jahren ist das erste Wide-Bandgap-Bauteil aus SiC in gängigen Spannungs- und Leistungsklassen kommerziell verfügbar. Ein anderes vielversprechendes Material mit breiter Bandlücke ist der III/V-Halbleiter-Galliumnitrid (GaN) mit einer Bandlücke von 3,4 eV zwischen Leitungs- und Valenzband. Mit der Entwicklung von GaN für leistungselektronische Anwendungen beschäftigt sich das Fraunhofer IAF seit einigen Jahren.

GaN-Transistoren für die breite Masse und für Sperrspannungen bis 200 V sind bisher nur über einen Hersteller zu beziehen. Zukünftig könnte sich das ändern: bereits heute wird weltweit daran geforscht die Spannungsklasse von 600 V zu erreichen und zu kommerzialisieren, um dann GaN-Transistoren auch am europäischen Spannungsnetz betreiben zu können. Die Bauteile dieser Klasse sind bis dato nur eingeschränkt verfügbar.

Physikalische Eigenschaften eines Treiberbausteins

Bei den Materialien mit großer Bandlücke wird viel Energie benötigt, um die Elektronen in das Leitungsband zu heben. Aus dieser Eigenschaft folgt zum einen die thermische Robustheit, zum anderen die hohe elektrische Durchbruchfeldstärke von 3,3 MV/cm – Luft hat im Vergleich dazu 33 kV/cm. Zudem verfügt das Material über eine hohe Strahlungsresistenz, was insbesondere für Anwendungen in Umgebungen mit starker elektromagnetischer Strahlung, wie in der Luft- und Raumfahrt, wichtig ist.

Die hohe Elektronenmobilität bewirkt außerdem, dass Ladungsträger sehr schnell aus dem leitfähigen Kanal ausgeräumt werden können, was zu einer kurzen Sperrverzögerungszeit (Reverse Recovery Effect) bei der Rückkehr in den Sperrbetrieb von Transistoren und Dioden führt.

Von den GaN-Transistoren verspricht man sich im Vergleich zu den Transistoren auf Basis von SiC zudem niedrigere Produktionskosten, da hier dünne Schichten GaN von bis zu 6 µm auf kostengünstige, großflächige Si-Substrate aufwachsen (GaN-on-Si). Das stellt jedoch hohe Ansprüche an die Epitaxie, denn aufgrund der unterschiedlichen Gitterkonstanten der Kristalle und der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten müssen aufwendige Pufferstrukturen zwischen dem Si-Substrat und dem aufgewachsenen GaN eingebracht werden. Die Pufferlagen nehmen die Verspannungen zwischen den beiden Materialien auf und verhindern so eine Rissbildung.

Um die Sperrspannungsfestigkeit und Zuverlässigkeit der GaN-Transistoren zu erhöhen ist es notwendig, die Kristallqualität und Dicke der auf Si-Substraten gewachsenen GaN-Schichten zu erhöhen. Bei den sogenannten Retrofit-Leuchten sind vor allem Kriterien wie ein optimales Gewicht oder attraktiver Preis gefragt – kompaktere, leichtere und preiswertere Ansätze sind der Schlüssel zum Durchbruch der Technologie, so dass sie zukünftig zur echten Alternative für Verbraucher werden.

Quellen

[1] Yole Développement, LED Packaging 2013

* Beatrix Weiss promoviert im Bereich GaN-Leistungselektronik am Fraunhofer IAF in Freiburg.

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