GaN-Halbleiter sind im Kommen

Immer mehr Chiphersteller steigen in den Bereich der GaN-Halbleiter ein. Allerdings sind reine GaN-Substrate teuer, und weil sich viele vorteilhafte Schalteigenschaften auch in Paarung mit anderen Halbleiterwerkstoffen realisieren lassen, kommen zunehmend Kombinationen wie GaN-on-Si oder GaN-on-SiC und viele weitere auf den Markt.

Während sich GaN-on-Si mehr in kostenorientierten Anwendungsbereichen etabliert, ist die GaN-on-SiC-Technologie mehr auf Performance ausgerichtet. Yole Developement

Für Elektronikentwickler und Produktmanager ist es jedoch ein ewiges hin und her zwischen Leistungssteigerung und Kostenminimierung, in welcher Technologie die zu entwickelnde Schaltung aufgebaut werden soll. Vorteilhafterweise lassen sich GaN-Halbleiter auf den Produktionslinien für Silizium-Halbleiter herstellen, so dass sie von deren Kostenstruktur profitieren, was sich positiv auf den Preis auswirkt.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Siliziumtransistoren, die größere Chipflächen benötigen, um den On-Widerstand zu senken, können leistungsäquivalente GaN-Halbleiter deutlich kleiner ausfallen. Sie weisen zudem eine geringere parasitäre Kapazität auf und ermöglichen problemlos sehr schnelle Schalt­vorgänge.

Die nachfolgen Zusammenstellung einiger GaN-Halbleiterprodukte gibt Einblicke in das aktuelle Geschehen in dieser Szene, erklärt beiläufig elektrische wie auch kostenspezifische Besonderheiten von GaN und liefert Vergleiche zu anderen Halbleitern wie Silizuim, Siliziumkarbid und Galliumarsenid.

HF-Breitbandverstärker auf GaN-on-SiC-Basis

Der von Mouser Electronics erhältliche GaN-Leistungsverstärker TGA2976-SM des japanischen Herstellers Qorvo setzt beispielsweise auf den 0,25 µm-GaN-on-SiC-Fertigungsprozess von Qorvo auf und bietet ausgezeichnete Leistungsdaten.

Der HF-Breitbandverstärker überträgt Frequenzen von 0,1 bis 3,0 GHz und bietet 10 W Ausgangsleistung bei 13 dB Großsignalverstärkung. Mouser

Die GaN-Technik ermöglicht im HF-Bereich Leistungsdichten, die fünf bis sechsmal höher sind als die von HF-Verstärkern auf Basis von Galliumarsenid (GaAs) . Die leistungsfähige und zuverlässige GaN-Technik eignet sich zum Beispiel für Infrastruktur-, Radar-, Kommunikations- und Navigationsanwendungen. Dieses Mehr an Leistungsfähigkeit gibt den Entwicklern die Flexibilität, bei verbesserter Systemleistung den Leiterplattenplatz und die Systemkosten zu reduzieren.

Der Verstärker arbeitet an 40 V im Frequenzbereich von
0,1 bis 3,0 GHz und bietet mehr als 10 W Ausgangsleistung (PSAT) bei über 13 dB Großsignalverstärkung und einem Leistungswirkungsgrad (PAE) von über 38 %. Der TGA2976-SM ist an beiden HF-Ports auf 50 Ohm angepasst und ist im unvergossenen SMD-Laminate-Package mit Maßen von 4 × 4 mm² erhältlich.

ECP für hochdichte effiziente Stromversorgungen

Die Laminat-Chip-Einbettung (EPC) von AT&S ermöglicht gegenüber der konventionellen Leiterplatten-Bestückung eine signifikante Miniaturisierung sowie ein thermisch besseres Verhalten. AT&S

Die Embedded Component Technology (ECP) ist die Antwort von AT&S auf die notwendige zunehmende Miniaturisierung für immer leistungsfähigere Anwendungen und Produkte. Die Einbettung von Schaltungskomponenten in ein elektrisches Modul bietet zahlreiche Vorteile wie die weitere Miniaturisierung durch das Stapeln von elektronischen Bauelementen oder die höhere Leistungsfähigkeit durch die Platzierung von passiven Bauteilen möglichst nah bei den aktiven Halbleitern. Zu den Produkten, die ganz wesentlich von der ECP-Technologie profitieren, gehören hocheffiziente Leistungsmodule, integrierte Wireless-Module, Media-Codecs und Applikationen, die eine hohe Signalintegrität erfordern, wie Sensoren oder Verstärker.

Die Herausforderung bei kommenden Stromversorgungs-Generationen besteht darin, nicht nur den Wirkungsgrad, sondern auch die Leistungsdichte zu erhöhen. Nachdem silizium-basierte Lösungen langsam an ihre Grenzen kommen, verspricht der Einsatz von GaN mit einem geringen Durchgangswiderstand, den ausgezeichneten Schnellschalteigenschaften und den vernachlässigbaren Einschaltverlusten (Reverse-Recovery-Verluste) eine effizientere Leistungsumwandlung mit einem höheren Wirkungsgrad und höherer Leistungsdichte.

GaN Systems konnte in enger Zusammenarbeit mit AT&S sowohl die Abmessungen als auch die Kosten für diese neuen Bauelemente reduzieren. Das platzsparende Packaging trägt wesentlich zur schnellen Adaptierung von GaN durch Designer und Systementwickler bei. Anders als bei Ansätzen, welche die Transistoren und die Integrationsmethode separat zukaufen, ermöglicht Embedded Power auf Basis der ECP-Technologie eine geprüfte und bewährte Integration von blanken GaN-Chips (Dies).

Kompaktes GaN-PX-Package nahe am Chipscale-Level

Zu den wesentlichen Vorteilen der Laminat-Chip-Einbettung gegenüber herkömmlichen IC-Gehäusen und der konventionellen Leiterplatten-Bestückung gehören die signifikante Miniaturisierung dank der höheren Integration sowie die verbesserte Zuverlässigkeit und das ausgezeichnete thermische Verhalten. Außerdem ermöglicht ECP eine integrierte EMI-Schirmung und unterstützt die Anpassung unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten (CTE, Coefficients of Thermal Expansion) für eine schnelle und einfache Systemintegration.

Das stellt eine Embedded-Gehäusetechnologie sehr nahe am Chipscale-Level dar, die eine hohe Stromdichte, einen geringen Querschnitt, ein optimiertes thermisches Verhalten sowie eine sehr geringe Induktivität ohne Wirebond-Verbindungen bietet. Das von GaN Systems angebotene Produktportfolio beinhaltet 100-V- und 650-V-Bausteine mit Top-Side- und Bottom-Side-Kühlung. Die GaN-Leistungstransistoren schalten bei einem RDS(on) von 7 mΩ Ströme von bis zu 90 A.

Die einkanalige Leistungsstufe von Texas Instruments hat einen einen GaN-Ausgangstransistor samt Treiber integriert. Texas Instruments

600-V-GaN-FET-Leistungswandler

Beim LMG3410 von Texas Instruments handelt es sich um eine einkanalige Leistungsstufe auf GaN-Basis – mit integrierter Treiberstufe in einem 8 x 8 mm2 kleinen QFN-Gehäuse. Die GaN-Leistungstransistoren schalten Spannungen von 600 V und Ströme um 12 A bei einem RDS(on) von 70 mΩ. Die Schaltungsarchitektur mit dem GaN-typischen Schaltverhalten kommt in Normally-Off-Anwendungen zum Einsatz. Stromlos wird die GaN-Ausgangsstufe des LMG3410 mit einem integrierten Low-Voltage-Si-MOSFET von ihrer Versorgung getrennt; im Normalbetrieb ist er dauerhaft eingeschaltet.

Der integrierte Treiber steuert den GaN-Ausgangstransistor mit einer intern erzeugten negativen Steuerspannung an. Er enthält zudem Schutzfunktionen wie schnelle Überstrom-, Übertemperatur- und Unterspannungsabschaltung (UVLO) und signalisiert per FAULT-Ausgang den Status der Leistungsstufe. Ein interner 5-V-LDO-Regler liefert bis zu 5 mA zur Versorgung externer Isolationssignalbausteine. Zusammen minimieren die extern einstellbare Anstiegsgeschwindigkeit und das induktivitätsarme QFN-Gehäuse Schaltverluste und Schaltschwingungen sowie elektrisch angeregte Schaltgeräusche. Der LMG3410 arbeitet an einer ungeregelten 12-V-Versorgung mit Schaltfrequenzen bis zu 1 MHz, weist Schaltgeschwindigkeiten zwischen 25 bis 100 V/ns auf und reagiert verzögert mit typischen 20 ns auf das Steuersignal.

X-GaN-Leistungstransistor von Panasonic

Wie auch bei Siliziumkarbid erreichen Galliumnitrid-Halbleiter mit dünneren Schichten und lateraler Kristallstruktur einen deutlich kleineren R_DS(on) vergleichen zu Silizium. Panasonic

Galliumnitrid ist ein sehr harter, mechanisch stabiler Halbleiter mit großer elektronischer Bandlücke sowie einer hohen Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit. In seiner reinen Form ist Galliumnitrid sehr beständig gegen Risse und kann als dünner Film auf Saphir (AL203) oder Siliziumkarbid (SiC) aufgetragen werden – und zwar trotz der unterschiedlichen Gitterkonstanten. GaN kann mit Silizium (Si) oder mit Sauerstoff n-dotiert und mit Magnesium (Mg) p-dotiert werden.

Die Si- und Mg-Atome ändern jedoch die Wachstumsart der GaN-Kristalle, wodurch Zugspannungen entstehen, die sie spröde machen. Galliumnitridverbindungen haben tendenziell eine höhere Gitterfehlerhäufigkeit, die in der Größenordnung zwischen einhundert Millionen bis zehn Milliarden Fehler pro Quadratzentimeter liegt. GaN ist kostengünstiger als Siliziumkarbid und wird für andere Eigenschaften mit großer elektronischer Bandlücke genutzt; dies geschieht primär, wenn SiC zu kostspielig ist. Aufgrund des zunehmenden Stromverbrauchs bei vielen modernen Anwendungen wird erwartet, dass SiC und GaN eine zukunftssichere Lösung darstellen, da Silizium langsam seine Leistungsgrenze erreicht.

Panasonic setzt seine kleinen X-GaN-Transistoren im hinteren Gehäusebereich von Servomotoren als integrierte Leistungststufe ein. Panasonic

Im Bereich der SMD-GaN-Leistungstransistoren bietet Panasonic den Typ PGA26E19BA mit Leistungsdichten und Schaltverlusten an, die über die Fähigkeiten der Si-basierten Transistoren hinausgehen. Die X-GaN-Serie weist besonders hohe Schaltgeschwindigkeiten ohne Reverse-Recovery-Ströme auf und schaltet mehr als 600 V ohne Stromzusammenbruch. Die Normal-off-Leistungshalbleiter stellt Panasioic in proprietärer Gate-Injection-Transistor-Technologie (GIT) her. Das GaN-Kristallwachstum erfolgt dabei auf 6-Zoll-Siliziumsubstraten. Typische Anwendungsbereiche sind AC- und DC-Stromversorgungen mit PFC, isolierte DC/DC-Wandler, Batterieladesysteme, photovoltaische Leistungswandler, und Motorwechselrichter.

G-FETs für 650 V und 1200 V

Exagan bietet neue GaN-Leistungstransistoren mit 650 und 1200 V Schaltspannung für die nächste Generation von schnellen Schaltwandlern im Solar-, Automobil- und IT-Elektronikmarkt. Als normal-on oder selbstsperrender Typ schalten diese Bausteine bis zu einige zehn Ampere. Die Spezifikationen für Durchbruchspannung, Leckstrom und Stromkollaps des G-FET-650 wurden auf einer proprietären Hardware- und Software-Plattform unter realen Anwendungsbedingungen ausgiebig getestet.

Der G-FET-1200 wird die zweite Produktgeneration des Unternehmens sein. Mit höherer Schaltleistung ermöglicht er neue und effizientere Umrichter und Wandlerarchitekturen im Bereich der Industrie- und Automotive-Anwendungen bei gleichzeitig reduzierten Kosten. Der G-FET-1200 soll nach Angaben des Herstellers „preislich sehr attraktiv“ sein.

Die Zukunft von GaN-on-Si

Heute gibt es nur wenige Hersteller, die Epiwafer oder Templates auf dem freien Markt verkaufen. Die Zahl der kommerziellen GaN-on-Si-Halbleiterhersteller ist ebenfalls begrenzt. Trotz einiger spürbaren Intellectual-Property-Kooperationen (Nitronex / International Rectifier, Toshiba / Bridgelux, Soitec / Sumitomo, Macom (Nitronex) / IQE) haben die Firmen untereinander noch keine gegenseitigen Lizenzierung verhandelt oder Liefervereinbarungen getroffen. Bisher lassen sich auch nur wenige Streitigkeiten beobachten.

In den letzten fünf Jahren traten aber verstärkt eine Anmeldung kritischer Patente von großen GaN-Playern (Toshiba, Samsung, LG, Sharp, NGK, Sumitomo, Soitec, Azzurro und Dowa) auf. Weil sich für den Bereich der GaN-on-Si-Technologie in jüngster Zeit auch die Funk- und Energie-Industrie interessiert, rechnet Yole Development in den nächsten 3 Jahren mit einem regelrechten IP-Kampf.

GaN-on-Si von der LED zur Leistungselektronik

Eine Gegenüberstellung unterschiedlicher Chip-Hersteller zeigt teilweise signifikante Unterschiede in der Die-Struktur und in den Produktions-kosten. Yole Developement

Obwohl die GaN-on-Si-Technologie als eine günstige Alternative zur GaN-on-Sapphire-Technologie für LED-Anwendungen erschien, erfolgt ihre Masseneinführung verhalten. Die meisten großen LED-Hersteller haben Patentierungen im Zusammenhang mit GaN-on-Si-Technologie laufen, aber nur wenige haben sich in bezüglich Strategie und Technologie-Roadmap klar positioniert, berichtet Yole. Im Gegensatz zu der LED-Industrie ist zu erwarten, dass GaN-on-Si weithin wegen seiner geringeren Kosten und CMOS-Kompatibilität von Leistungselektronik und HF-Anwendungen übernommen werden.

Das Wachstum von GaN-auf-Silizium-Substrat ist eine technische Herausforderung. Die hohe Gitterfehlanpassung zwischen GaN und Si ergibt eine hohe Defektdichte in Epitaxieschichten (Dislokationen). Der hohe Wärmeausdehnungskoeffizient (TCE) zwischen GaN und Si führt zu einer großen Zugspannung, während dem Abkühlen von der Wachstumstemperatur auf Raumtemperatur. Die Zugspannung bewirkt Rissbildungen und eine konkave Biegung des Wafers. Auch wenn derzeit viele Technologiepatente auf Abschluss und Erteilung warten und diesbezüglich eine regelrechte Technologieschlacht am Laufen ist, so sind doch mittlerweile viele technologische Probleme wie Versetzungsdichte-Reduktion und Stressmanagement zur Vermeidung von Rissen und Verwerfungen des Wafers beherrschbar, berichtet Yole Development und bewertet die GaN-on-Si-Technologie als mittlerweile reif für die Massenproduktion.

(jwa)