Bauelemente der Leistungselektronik müssen hohe Spannungen und Betriebstemperaturen verkraften, schnell schalten können sowie erhöhte Leitungseffizienzen (niedriger on-Widerstand) aufweisen. Dabei sollen sie aber auch zuverlässig und preiswert sein. Perspektivisch können Silizium-Bauelemente diesen Ansprüchen nicht mehr genügen. Aktuell kommen daher in Leistungsbauelementen immer häufiger Materialien mit großer Bandlücke, sogenannte Wide-Bandgap-Halbleiter, wie Siliziumcarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) zum Einsatz. Der folgende Beitrag gibt einen grundlegenden Einblick in die Eigenschaften von Wide-Bandgap-Materialien, hilft bei der Auswahl von Materialsystemen für Leistungsbauelemente und stellt Materialien vor, die in naher bis mittlerer Zukunft die Leistungselektronik bestimmen könnten.

Warum Wide-Bandgap-Materialien?

Eckdaten

Halbleiter mit großer Bandlücke, sogenannte Wide-Bandgap-Halbleiter, lösen immer mehr die klassische Silizium-Technologie in der Leistungselektronik ab. Materialien wie SiC und GaN sind Si beim Durchbruchverhalten, Sättigungsdriftgeschwindigkeiten der Ladungsträger und der Wärmeleitfähigkeit überlegen. SiC kommt auf Grund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit dort zum Einsatz, wo hohe Leistungsdichten notwendig sind, während GaN für Hochfrequenzanwendungen prädestiniert ist. Jedoch stehen mit Galliumoxid und synthetischem Diamant auch bereits zwei Materialien in den Startlöchern, die in Zukunft die Leistungselektronik dominieren könnten. Besonders Diamant punktet hinsichlich seiner herausragenden Ladungsträgerbeweglichkeit und höchsten thermischen Leitfähigkeit aller bekannten Materialien.

Die wichtigsten Eigenschaften eines Halbleiters für die Leistungselektronik sind seine Energie-Bandlücke, das kritische elektrische Feld, die Mobilität der Elektronen im Material, die thermische Leitfähigkeit sowie die Sättigungsdriftgeschwindigkeit der Ladungsträger. Dabei steht die Energie-Bandlücke in direkter Verbindung mit der Stärke der chemischen Verbindungen im Kristallgitter, weshalb Wide-Bandgap-Materialien höhere kritische Feldstärken verkraften. Hinzu kommen niedrigere intrinsische Ströme und Leckagen, warum Bauelemente auf Basis von Wide-Bandgap-Materialien auch bei höheren Temperaturen zuverlässig arbeiten. Zusätzlich besitzt besonders SiC eine hohe thermische Leitfähigkeit, wodurch sich im Bauelement entstehende Wärme leichter an Gehäuse und Kühlkörper ableiten lässt.

Durch Aufbringen einer AlN-Schicht auf das kristalline GaN, verspannt sich der Kristall an der Oberfläche. Durch die höhere Polarisierung von AlN bildet sich ein zweidimensionales Elektronenengas (2DEG) mit sehr hoher Ladungsträgerbeweglichkeit.

Bild 1: Mittels Aufbringen einer AlN-Schicht auf das kristalline GaN, verspannt sich der Kristall an der Oberfläche. Durch die höhere Polarisierung von AlN bildet sich ein zweidimensionales Elektronenengas (2DEG) mit sehr hoher Ladungsträgerbeweglichkeit. Werner Obermayr

Die Durchbruchspannung eines Bauelements hängt direkt vom Produkt aus der Länge des Driftbereiches der Ladungsträger im Halbleiter und des kritischen elektrischen Feldes ab. Je höher das kritische elektrische Feld im Material ausfallen kann, umso kleiner kann daher bei vorgegebener Durchbruchspannung die Driftregion sein und das Bauelement wird damit kleiner.

Da die Driftregion bei SiC und GaN bis zu zehn Mal kleiner ist als bei Silizium, kann die Zahl der Elektronen im Driftbereich 100 Mal größer ausfallen. Die Sättigungsdriftgeschwindigkeit der Elektronen in Materialien mit großer Bandlücke übersteigt die von Silizium um bis zu 100 Prozent. Bauelemente können um so schneller schalten, je höher diese Geschwindigkeit ist. Diese höhere Schaltfrequenz führt zur weiteren Miniaturisierung und Kostensenkung von Schaltkreisen, denn passive Bauelemente können deutlich kleiner ausfallen.

Verspanntes GaN punktet bei Hochfrequenzanwendungen

Ein HEMT aus Schichtfolgen von GaN und AlGaN. Durch diesen Aufbau werden bei der Hetero-Expitaxie entstandene Versetzungen daran gehindert, sich bis in den Bereich des 2DEG vorzudringen.

Bild 2: Ein HEMT aus Schichtfolgen von GaN und AlGaN. Durch diesen Aufbau werden bei der Hetero-Expitaxie entstandene Versetzungen daran gehindert, bis in den Bereich des 2DEG vorzudringen. Werner Obermayr

Die Mobilität der Ladungsträger in SiC und GaN ist mit der in Si vergleichbar. Allerdings besitzt kristallines GaN eine hexagonale Wurtzit-Struktur, was ihm durch spontane Polarisation ein piezoelektrisches Verhalten verleiht. Die Mobilität der Ladungsträger in GaN-Bauelementen lässt sich jedoch verdoppeln, indem eine AlGaN-Schicht auf das kristalline GaN aufgebracht wird. Durch die Unterschiede im Kristallgitter verspannen sich die oberen fünf Nanometer des GaN-Kristalls derart, dass die Elektronenmobilität in diesem Bereich ansteigt. Da der Kristall in der Region nicht dotiert ist, existieren zudem keine zusätzlichen Streuzentren für die Ladungsträger.

Durch die höhere Polarisation von AlN gegenüber GaN liegen die Elektronen als ein 2-dimensionales Elektronengas vor (2DEG), das sich nahezu ungehindert im Material bewegen kann (Bild 1). Auf diese Weise erhöht sich die Elektronenmobilität von etwa 1000 cm²/Vs im entspannten Material auf bis zu 2000 cm²/Vs in der verspannten Region. Diese Technik ist beispielsweise die Grundlage für High Electron Mobility Transistoren (HEMT).

 

Worauf es bei der Wahl der Substrate für Leistungsbauelemente ankommt und warum diese vergleichsweise teuer ausfallen, erklären wir auf Seite 2.

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