Bildergalerie
Bild 1: Bei Raumtemperatur gemessene Reverse-Bias-Leckspannung  von Drain, Source, Substrat und Gate des Prototyps eines GaN-basierten 650-V-Bausteins von International Rectifier.
Bild 2: Einschalt-Wellenform einer PFC mit einer Verstärkung von 150 V auf 350 V bei 100 kHz unter Verwendung von 120 mOhm GaN-Schaltern oder modernen 99 mOhm Si-Superjunction-MOSFETs. In beiden Fällen fand eine SiC-Diode für die Gleichrichterfunktion Ver
Bild 3: Schaltwellenformen eines frühen Prototyps eines kaskadierten 600-V-GaN-Gleichrichters sowie einer optimalen SiC-Schottkydiode. Beide Bausteine sind für einen Nennstrom von 6 A bei Vf < 2 V und 150 °C ausgelegt. Die Differenz der gemessenen Qr (die
Bild 4: Gemessener Leistungsvergleich zwischen modernen Silizium-basierten Trench-IGBTs mit 600 V Nennspannung und Prototypen der ersten Generation von GaN-basierten 600-V-Bausteinen hinsichtlich der Gütezahl von Leitungsverlust und Schaltverlust [Von x (

Unerreichtes Preis/Leistungsverhältnis

Die Verfügbarkeit von kostengünstigen, hoch qualitativen, robusten GaN-basierten Leistungsbausteinen hoher Leistung wird in den kommenden Jahren wirklich innovative Verbesserungen in der Packungsdichte, im Wirkungsgrad und bei den Kosten der Leistungselektronik ermöglichen. Von effizien-teren Wechselrichtern auf der Grundlage von Solarzellen über dichter gepackte, effiziente Systeme zur Bewegungssteuerung auf Basis von Permanentmagnetmotoren bis hin zur Wechselrichtern mit geringerem Gewicht und höherer Packungsdichte für Elek-trofahrzeuge sowie integrierte DC-DC-Stromversorgungen für die Elektronik der nächsten Generation, werden GaN-basierte Leistungsbausteine die Branche revolutionieren. Diese Technologieplattform unterstützt in hohem Maße die Zielsetzung, durch die Ermöglichung geringerer Systemkosten den Einsatz von effizienten Systemen zu fördern, die den weltweiten Energieverbrauch signifikant reduzieren.

Die Markteinführung der ersten wirtschaftlich attraktiven 600-V-Leistungsbausteinprodukte auf Basis von GaN durch International Rectifier wird ein neues Zeitalter der Leistungselektronik einläuten. Durch die Verfügbarkeit von Komponenten mit einer solch hohen Performance zu konkurrenzfähigen Preisen lassen sich völlig neue Ebenen des Preis/Leistungs-Verhältnisses erreichen. Die Kombination eines hohen Wirkungsgrads bei der Leistungsumwandlung mit einer hohen Leistungsdichte und  Kosteneffektivität liegt deutlich über der, die mit den etablierten Silizium-basierten Technologien erzielbar ist. Dadurch, dass eine neue Leistungselektronik mit großem Bandabstand (Wide Band Gap) auf Grundlage kommerziell erhältlicher Halbleiter, wie beispielsweise die in Silizium-Foun-dries hergestellten GaN-auf-Silizium Leistungsbausteine, zur Verfügung steht, entsteht das erforderliche Wertangebot von Performance zu Kosten, das man braucht, um eine Senkung der wirtschaftlichen Beschränkungen beim Einsatz energieeffizienter Stromversorgungsarchitekturen zu ermöglichen. Diese wiederum sind erforderlich, um den globalen Energieverbrauch in den kommenden Jahrzehnten signifikant zu reduzieren. Der Beitrag fasst die derzeitige Leistungsfähigkeit sowie die Zukunftsaussichten dieser neuen Bauelemente der Leistungselektronik kurz zusammen und vergleicht sie mit den bereits etablierten, auf Silizium- und SiC-basierenden Bauelementen. 

Es besteht eine wachsende Nachfrage nach Lösungen zur hochintegrierten Leistungsumwandlung. Gleichzeitig nimmt der wirtschaftliche, politische und soziale Druck stark zu, den Wirkungsgrad bei der Energieversorgung zu steigern. Bei einer gegebenen Leistungsbauelemente-Technologie stehen diese beiden Leistungsmesszahlen, also Wirkungsgrad und Packungsdichte, im Widerspruch zueinander und resultieren in einer Performance-Gütezahl (FOM, Figure of Merit) von Wirkungsgrad und Dichte oder von Leitungsverlust und Schaltverlust der Bausteine. Nachdem die Silizium-basierte Technologie inzwischen einen hohen Reifegrad erreicht hat, setzt eine wirklich revolutionäre Änderung dieser Performance-FOM die Einführung einer grundsätzlich neuen Technologieplattform für Leistungsbausteine voraus.

Packungsdichte contra Wirkungsgrad

Der Kompromiss zwischen Packungsdichte und Wirkungsgrad ist in hohem Maße eine Frage der Schaltfrequenz. Mit zunehmender Schaltfrequenz setzen sich die Verluste im Leistungswandler hauptsächlich aus drei Quellen zusammen, nämlich den Ansteuerverlusten, der Strom/Spannungs-Überlappung der Leistungsbausteine sowie den kapazitiven Ableitungsverlusten der Ausgangsimpedanz des Bausteins. Darüber hinaus treten Kernverluste im Magnetelement der Induktivität des Ausgangsfilters auf. Zum Erreichen eines besseren Wirkungsgrads müssen deshalb unbedingt Verbesserungen im Verhalten des Leistungsbausteins erzielt werden. Das gilt besonders für die erforderlichen Eingangs- und Ausgangs-Ladungspegel, die mit dem Umschalten des Bausteins zwischen Einschalt- und Ausschaltzustand in Zusammenhang stehen.

GaN-basierte Leistungsbausteine stellen eine solche bahnbrechende Technologie dar. Die große Bandlücke sorgt naturgemäß für kürzere Driftbereiche und senkt dadurch hinsichtlich vergleichbarer Bausteine auf Siliziumbasis den Bausteinwiderstand um mehr als eine Größenordnung. Außerdem gewährleistet die laterale Konstruktion des Transistors mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT, High Electron Mobility Transistor) eine wesentlich reduzierte Kapazität des Bausteins. In Verbindung mit der Tatsache, dass es sich bei GaN-HEMTs um Majoritätsladungsträger-Komponenten handelt, die von den in  Minoritätsladungsträgern von Silizium-IGBT- oder „Superjunction-“ (stark kompensierten) Bausteinen vorhandenen Speicherproblemen nicht betroffen sind, führt dies bei GaN-basierten Bausteinen zu deutlich geringeren Schaltladungen.

Leckverluste mit Si vergleichbar

Unbedingte Voraussetzung für einen kommerziellen Erfolg ist, dass das Leckspannungsverhalten von GaN-basierten Bausteinen mit dem von existierenden, auf Siliziumtechnologie basierenden Alternativen vergleichbar ist. Bild 1 zeigt das Sperrstromverhalten des Prototyps eines GaN-basierten HEMT-Bausteins mit 650-V- Nennspannung mit Vg = -10 V bei Raumtemperatur, der von International Rectifier entwickelt wurde. Wie klar zu sehen ist, zeigt der Leckverlust ein gutes Verhalten und wird von dem Strom zwischen Source und Drain beherrscht, wobei die Leckstrompegel bis zur Nennspannung von 650 V unter 0,1 µA/mm liegen. Eindrucksvoll ist festzustellen, dass die Substrat- und besonders die Gate-Ströme während des gesamten Reverse-Bias-Spannungsbereichs des Bausteins, der eine Gatebreite von 100 mm und eine Gatelänge von 3 µm aufweist, gut unterdrückt werden. 

Robust unter allen Bedingungen

Auch die Robustheit des Bausteins unter Anwendungsbedingungen muss hinsichtlich der Erwartungen, die durch die gängige Technologie auf Siliziumbasis etabliert wurde, ohne Abstriche gesichert sein. Ein großer, in Durchlassrichtung vorgespannter sicherer Arbeitsbereich ist ein wichtiger Indikator für eine solche Robustheit. Er wurde für 600-V-Prototypen bei 10 A und 600 V mit 100 ns gemessen, wobei der Wert Vg-Vp bei 4 V lag. Zudem ist im Leistungselektronikbereich eine Bausteinstabilität unter beschleunigten Belastungsbedingungen über längere Zeiträume hinweg unabdingbar. Bislang wurden Zuverlässigkeitsdaten über mehr als 10.000.000 Bausteinstunden gesammelt. Dies geschah bei den Niederspannungs-Bausteinen, die bei IR Anfang 2010 in Produktion gingen, mit bis zu 10.000 Stunden pro Baustein. Bislang wurden keinerlei spezifische vorzeitige Bausteinausfälle entdeckt, und die parametrische Stabilität war ausgezeichnet. Zusätzlich haben anfängliche Zuverlässigkeitsuntersuchungen von GaN-basierten Hochspannungsbausteinen eine hervorragende parametrische Stabilität von bis 2000 Stunden gezeigt.

Unbedingt muss auch ein solch katastrophaler Fehlermechanismus wie der „umgekehrte piezoelektrische Effekt“ ausgeschlossen werden, wie er in GaN-basierten HEMTs mit einem Metallhalbleiter als Gate auftritt. Unter sämtlichen angelegten beschleunigten Belastungsbedingungen wurde in den GaN-basierten Bausteinen mit isoliertem Gate von International Rectifier kein physikalischer Güteverlust der AlGaN-Sperrschicht festgestellt, über den bei Bausteinen mit Metallhalbleiter-Gates häufig berichtet wird.

Instabilitäts-Phänomene, die mit dem so genannten Trapping in Zusammenhang stehen und über die viel berichtet wird, zum Beispiel ein Stromzusammenbruch oder ein dynamischer Rdson, müssen ebenfalls unterbunden werden. Derartige Trapping-Effekte werden in dieser Plattform effektiv minimiert.

Beitrag zur Kostensenkung

Eine Senkung der Kosten von Hochleistungs-AC-DC-Stromversorgungen unter Verwendung einer Verstärkerschaltung mit Leistungsfaktorkorrektur (PFC) ist ein weiteres Anwendungsgebiet, bei dem GaN-basierte Leistungsbausteine für eine bislang unerreichte Kombination von Wirkungsgrad, Schaltgeschwindigkeit und Kosteneffektivität sorgen. In Bild 2 ist die Einschaltwellenform eines kaskadierten 600V-GaNpowIR-Schalters dargestellt, wie er in der Regelschalterfunktion der PFC-Verstärkerschaltung eingesetzt wird, und zwar im Vergleich zu der eines modernen Si-Superjunction-MOSFETs mit 99 mOhm, beide im TO-220-Gehäuse. Wie zu sehen ist, zeichnet sich der GaN-basierte Schalter durch überlegene Schaltcharakteristika aus. Das schlägt sich als verbesserter Wirkungsgrad der Leistungsumwandlung bei dieser bis 430 W belastbaren, bei 100 kHz betriebenen PFC-Schaltung nieder. Kaskadierte GaN-basierte Gleichrichter weisen bei Bausteinen mit 6 A Nennstrom praktisch dieselbe Leistung auf wie kostspielige SiC-Schottkydioden (Bild 3). Dadurch wird der breite Einsatz von hoch effizienten PFC-Schaltungen möglich. Darüber  hinaus wird die Verfügbarkeit von preisgünstigeren, hoch leistungsfähigen Schaltern und Gleichrichtern auf Basis von Wide-Band-Gap-Halbleitern den verstärkten Einsatz von effizienten Wandlern fördern, zum Beispiel bei Wechselrichtern für die verteilte Erzeugung von Sonnenenergie. Das führt zu Einsparungen beim Energieverlust von 2 bis 3 %, was wiederum den Wirkungsgrad der Solarzelle um eine volle Dekade verbessert.

Eine der größten Möglichkeiten zur weltweiten Energieeinsparung betrifft den Einsatz von effizienten Permanentmagnetmotoren, die in Haushaltsgeräten von Wechselrichtern angesteuert werden, zum Beispiel in Klimaanlagen, Kühlschränken und Waschmaschinen. Außerdem wird die zunehmende Elektrifizierung von Antriebssystemen für Transportfahrzeuge sowohl für die primären als auch für die zusätzlichen Elektroniksysteme eine verbesserte Wechselrichterelektronik benötigen. Die derzeit verwendete Technologie für diese Motorantriebe sind Silizium-basierte Trench-IGBTs. Bild 4 zeigt einen Vergleich zwischen modernen Silizium-Trench-IGBTs mit 600-V-Nennspannung mit Prototypen der ersten Generation von 600-V-GaNpowIR-Bausteinen in Bezug auf die Gütezahl Leitungsverlust/Schaltverlust. Es wird deutlich, dass GaN-basierte Bausteine eine deutlich bessere Leistung aufweisen. Wirklich spannend ist die Tatsache, dass im Laufe des kommenden Jahrzehnts eine weitere Leistungsverbesserung von GaN-basierten Leistungsbausteinen um eine Größenordnung möglich ist.