Dank stetiger Weiterentwicklungen steht SiC eine rosige Zukunft bevor

Kristalle aus Siliziumkarbid (SiC) können in natürlicher Form als Moissanit auch in Schmuckstücken vorkommen. Für den industriellen Einsatz wird SiC allerdings künstlich hergestellt, wodurch es sich nur noch schwer von Diamanten unterscheiden lässt und zudem noch hitzebeständiger ist. So erzeugte Kristalle dienen als Grundlage für Siliziumkarbid-(SiC-)Wafer für eine neue Klasse von Halbleitern – vielleicht schauen Fabrikanten in SiC-„Kristallkugeln“ und fragen sich, welche Geräte und Bausteine dieses Material als nächstes verwenden?

SiC heute – die 3. Generation

Vor dem Blick in die Kristallkugel lohnt es sich, noch einmal zu rekapitulieren, wo die SiC-Technologie heute steht und wie erfolgreich sie mit den bisherigen Siliziumlösungen konkurriert. Bild 2 zeigt die grundlegenden Materialeigenschaften von SiC im Vergleich zu Silizium – Werte, die näher am Rand liegen, sind besser. Dabei zeigen sich auch die Vorteile von SiC: eine größere Bandlücke, die zu einer viel höheren kritischen Durchbruchspannung mit höherer Elektronengeschwindigkeit führt, was wiederum ein schnelleres Schalten ermöglicht. Die Chip-Größe für eine gegebene Nennspannung kann dadurch viel kleiner sein, was für einen niedrigen Einschaltwiderstand sorgt. In Verbindung mit besserer Wärmeleitfähigkeit führt das zu niedrigen Verlusten und einem kühleren Betrieb. Außerdem verringert die kleine Chipgröße die Kapazitäten der Bauelemente, was wiederum die Schaltverluste verringert. Dabei reduziert die inhärente Hochtemperaturfähigkeit von SiC den thermischen Stress.

Bei der Implementierung als SiC-FET, einer Kaskodenanordnung unter Verwendung der United-SiC-Lösung des Co-Packaging eines SiC-JFET mit einem Si-MOSFET, ergibt sich ein selbstsperrender Baustein (Normally OFF) mit einer schnellen, verlustarmen Body-Diode, hoher Avalanche-Energie und selbstbegrenzendem Strom unter Kurzschlussbedingungen. Der SiC-FET verfügt über eine Gate-Treiberfunktion, die mit älteren Si-MOSFETs und sogar IGBTs kompatibel ist, sodass bei kompatiblem Gehäuse ein einfacher Upgrade-Pfad von den älteren Bausteintypen möglich ist. Für Anwendungen mit hoher Schaltfrequenz sind auch die flachen DFN8x8-Gehäuse erhältlich, welche die Leitungsinduktivität minimieren und sich für hart- und weichschaltende Anwendungen wie LLC- und Phasenschieber-Vollbrückenwandler eignen.

Als erste SiC-FETs erreichen die Bauelemente der UF3C-Reihe von United SiC in der 1200-V-Bauelementeklasse in einem 4-poligen TO-247-Gehäuse mit Kelvin-Gate-Anschluss weniger als 10 mΩ R_DS(ON). United SiC verwendet Wafer mit einer Größe von 6 Zoll (15,24 cm), wobei der Größenvorteil die Angleichungen an das Preisniveau des Siliziums und den Einsatz in Massenmarktanwendungen sowie in Spitzenprodukten möglich macht.

Treibende Kraft für Verbesserungen

SiC-FETs nähern sich dem idealen Schalter, dennoch verlangt der Markt nach mehr Leistung und Performance. So benötigen etwa EV-Wechselrichter den bestmöglichen Wirkungsgrad für eine größere Fahrzeugreichweite, während Hochleistungs-DC/DC- sowie AC/DC-Wandler in Rechenzentrums-/5G-Anwendungen so wenig Verlustleistung wie möglich abgeben dürfen, um Energieverluste, Platzbedarf und Kosten zu minimieren. Außerdem verlangt die Industrie kleinere und effizientere Motorantriebe für eine bessere Raumnutzung des Fertigungsbereichs. Die Liste geht weiter, stets mit der Forderung nach einem besseren Wirkungsgrad. Darüber hinaus haben sich weitere Anwendungen für SiC eröffnet, die einige der Vorteile der Technologie nutzen. Festkörper-Leistungsschalter zum Beispiel können jetzt bei hohen Stromstärken sehr geringe Verluste aufweisen, aber auch lineare Leistungsschaltungen wie in elektronischen Lasten profitieren von SiC-Bauelementen mit ihrem erweiterten sicheren Betriebsbereich (SOA). Generell profitieren Systemingenieure in ihren Designs von einer reduzierten Größe und einem verringerten Kühlungsbedarf bei gleichzeitiger Einsparung von Energie- und Hardwarekosten sowie von Bauelementen mit breiterem Anwendungsbereich und weiteren Gehäuseoptionen.

Aussagekräftige Vergleiche mit Leistungskennzahlen

Bild 2: Vergleich der Materialeigenschaften von Si und SiC. United SiC

Beim Vergleich aktueller Bauelemente und ihrer möglichen Entwicklung sind einzelne Parameter nicht unbedingt aufschlussreich. Ein Bauelement im Bereich unter 10 mΩ ist bei 100 V nicht sonderlich beeindruckend, wäre aber bei 1200 V aktueller Stand der Technik. Ebenso ist ein niedriger R_DS(ON) bei 1200 V nicht so nützlich, wenn die Chipfläche groß ist und deshalb zu hohen Kapazitäten und daraus resultierenden Schaltverlusten führt. Daher ist es sinnvoll, vereinbarte Leistungskennzahlen (FOMs, Figures of Merit) zu verwenden, beispielsweise R_DS(ON).A, das Produkt aus Einschaltwiderstand und Chipfläche. Ein niedriger Wert kombiniert die Messung von niedrigen Widerstands- und Schaltverlusten und die Anzahl der Dies pro Wafer, was die Kosten reduziert. E_OSS, die zum Laden der Ausgangskapazität des Bausteins erforderliche Energie, ist Voraussetzung für geringe Schaltverluste. Auch hier ist R_DS(ON).E_OSS eine nützliche direkte Leistungskennzahl für die Gesamtverluste.

Blick in die Kristallkugel

SiC bedeutet für kritische FOMs eine enorme Verbesserung gegenüber anderen Schaltertypen, aber was ist der Handlungsspielraum für eine noch bessere Leistung? Es müssen weitere Parameter in Betracht gezogen werden, die gegen FOM-Verbesserungen abgewogen werden könnten. Bild 3 zeigt einige dieser Parameter, und die Pfeile zeigen die Bewegungsrichtung für eine bessere Leistung an. Die Abkürzungen stehen hier für folgende Kennzahlen:

• BV ist die kritische Durchbruchspannung.
• C_OSS ist die Kleinsignal-Ausgangskapazität.
• Q_rr ist die Reverse-Recovery-Ladung.
• E_SW ist der Energieverlust beim Schalten.
• Diode Surge ist der Spitzennennstrom des Bodydiodeneffekts.
• SCWT ist die Kurzschlussfestigkeit.
• UIS ist der ungeklemmte induktive Schaltwert.
• R_thJ-C ist der thermische Widerstand zwischen Verbindung und Gehäuse.

Einige Merkmale verstärken ihre Vorteile gegenseitig, wie etwa eine kleinere Chipgröße, die einen geringeren C_OSS und damit einen niedrigeren ESW ergibt. Andere sind ein Kompromiss; so  führt beispielsweise die Reduzierung des Chipvolumens potenziell zu einer niedrigeren UIS-Energieeinstufung. Der Spitzen-Lawinenstrom bliebe jedoch unbeeinflusst, typisch für Streuinduktivitäts-bezogene Überschwinger mit niedriger Energie oder Blitzschlagtests.

Jedoch gibt es viel Spielraum beim Zellen- und Gehäusedesign, die zu einer Halbierung der R_SD(ON).A bei wesentlich kleinerem Chip führen könnten. Im gleichen Verhältnis würde dann auch der C_OSS sinken, mit einem entsprechenden Rückgang der ESW. Dünnere Chips sind mit der entsprechenden Verbesserung von R_DS(ON) möglich, aber UnitedSiC ist zuversichtlich, dass dies nicht auf Kosten der Nennspannung gehen wird, die mit einer neuen Standardspannungsklasse bei 750 V in Richtung 1700 V steigen wird.

Es stehen verschiedene Herausforderungen an: Einerseits soll das Ausgangsmaterial in Richtung Fehlerfreiheit und perfekte Ebenheit gehen, andererseits verbessern sich die Ausbeuten im Hinblick auf die Anzahl der Dies pro Wafer sowie auch der „Cross-Outs“ ständig. SiC ist noch eine relativ junge Technologie am Anfang ihrer Entwicklungskurve und, ebenso wie die früheren MOSFETs, bestehen beste Aussichten auf bedeutende zukünftige Verbesserungen hinsichtlich Kosten und Leistung.

Auch das Packaging entwickelt sich weiter

Bild 3: Hauptmerkmale von SiC-FETs und ihre Entwicklungsrichtung: Blau entspricht dem heutiger Stand der Technologie, während orange ein potenzielles Zukunftsszenario darstellt. United SiC

In dem Maße, wie sich die SiC-FET-Bauelemente verbessern und sich ihr Anwendungsbereich erweitert, ist zu erwarten, dass Hersteller auch die Gehäuseoptionen zunehmend ausbauen. Gegenwärtig sind TO-247-Bauteile beliebt, da sie sich als Drop-in-Ersatz für einige MOSFETs und IGBTS einsetzen lassen. Zudem sind viele Typen vierpolig, um einen Kelvin-Anschluss für den Gate-Treiber zu ermöglichen. Dies trägt dazu bei, den Effekt der Source-Leitungsinduktivität zu überwinden, der sonst zu unerwünschtem Einschalten mit hohem Drain-Source-di/dt führen kann. Auch Mehrfach-SiC-Chips in Modulen sollen künftig verfügbar sein, möglicherweise mit bis zu 1200 V Nennspannung für individuelle Chips und 6000 V Nennspannung oder höher unter Verwendung einer gestapelten Superkaskoden-Anordnung für sehr hohe Leistungen. Diese werden in Halbleitertransformatoren, MV-XFC (Mittelspannungs-Schnellladegeräten), Windkraftanlagen, der Traktion und generell im HVDC-Bereich Verwendung finden.

Ein Blick in die Zukunft

Die Innovation bei Energieanwendungen schreitet rasch voran. Um mit den Anforderungen des Marktes mithalten zu können, müssen Hersteller ihre Halbleiterschalter ständig weiterentwicklen. Dazu müssen sie aber noch verschiedene Parameter verbessern, um für höhere Leistung und breitere Anwendungsgebiete zu sorgen.

(prm)