500 V Schaltbetrieb mit GaN-HFETs
Abb. 1: Aufbau der GaN-basierten Halbleiterschichten für Hochspannungs-Schalttransistoren.
Abb. 2: Schalttransienten eines aufgebauten Testtransistors mit 2,1 mm Gateweite und 15 µm Gate-Drain-Abstand. VGS wird von -5 V (gesperrter Zustand) nach +1 V (On-Zustand) geschaltet und nach 10 µs wieder zurück. (a) Drainspannungstransienten für Sperrspannungen von 20 V bis 500 V, (b) Stromtransient und Spannungstransient eines 500 V / 0,5 A Schaltereignisses.
Aktuelle Entwicklungen für elektronische Leistungskonverter zielen darauf, den Wirkungsgrad zu erhöhen und die Systemgröße zu reduzieren, sowohl im Hinblick auf das Gewicht als auch das Volumen. Dies kann durch eine höhere Schaltfrequenz erreicht werden, da dann die Dimensionen der passiven Systemkomponenten wie Kondensatoren und Drosseln kleiner werden. Beim Einsatz GaN-basierter Transistoren mit ihren besonders geringen Schaltverlusten sind hohe Schaltfrequenzen ohne Einbußen im Systemwirkungsgrad möglich.
GaN-basierte Hochspannungsschalttransistoren weisen einen besonders geringen flächenspezifischen Einschaltwiderstand zusammen mit einer niedrigen Gatekapazität auf. Allerdings erhöht sich im Schaltbetrieb der dynamische Einschaltwiderstand um bis zu einigen Größenordnungen, wenn von hohen Sperrspannungen > 200 V aus geschaltet wird. Diese Zunahme deutet auf eine reduzierte Elektronenkonzentration im Transistorkanal hin, die auf Trap-Zustände im Halbleitermaterial zurückzuführen ist. Derartige Traps rühren von der Dotierung der gewachsenen GaN-Schichten aber auch von deren strukturell bedingter Defektdichte. Die beschriebene Erhöhung des dynamische Einschaltwiderstands führt im Systemeinsatz zu zusätzlichen Schaltverlusten und muss daher eliminiert werden.
Das FBH hat eine neue GaN-basierte Halbleiterschichtenfolge auf preiswerten leitfähigen Substraten entwickelt, die eine gute vertikale Isolation für den Hochspannungsbetrieb und einen niedrigen dynamischen Einschaltwiderstand ermöglichen. Die epitaktisch gewachsenen GaN-Schichten kombinieren einen Kohlenstoff-dotierten GaN-Puffer (vertikale Isolation und hohe laterale Spannungsfestigkeit), eine AlGaN-Schicht als rückseitige Kanalbarriere (trennt die Kohlenstoffdotietrung vom undotierten GaN-Transistorkanal) und eine GaN-Kappe auf der AlGaN-Barriere, siehe Abb. 1.
Mit einem Schalt-Teststand wurden an aufgebauten Testtransistoren Schalttransienten aufgenommen, dabei konnte wegen der hohen vertikalen Isolation die Chipunterseite auf Masse liegen. Abb. 2a zeigt die Drainspannungstransienten für Sperrspannungen zwischen 20 V und 500 V. Die Gatespannung wurde zwischen -5 V für den Sperrzustand und +1 V für den eingeschalteten Zustand geschaltet. Dabei zeigt sich an dem eingeschalteten Transistor mit zunehmender Sperrspannung keine signifikante Erhöhung des Source-Drain-Spannungsabfalls. Der dynamische Einschaltwiderstand lässt sich aus dem Drainstrom und dem Spannungsabfall am Drain bestimmen. Er steigt bis 250 V Sperrspannung an, bleibt dann aber für höhere Spannungen auf konstantem Niveau. Abb. 2b zeigt den Spannungstransientren und Stromtransienten eines 500 V / 0,5 A Schaltereignisses. Aus dem absoluten Ron_dyn = 33,5 Ω · mm konnte eine sehr geringe Erhöhung des dynamischen Einschaltwiderstands von Ron_dyn / Ron_st = 2,6 ermittelt werden.
FBH-Forschung: 18.03.2013