Selbstsperrende 65 mOhm / 600 V GaN-Schalttransistoren für effiziente Energiewandlung

GaN-basierte Leistungstransistoren für hohe Spannungen ermöglichen effiziente Leistungskonverter mit besonders hoher Leistungsdichte. Wegen des geringen flächenspezifischen Einschaltwiderstands (bei gegebener Sperrspannung) und der geringen für das Schalten nötigen Gateladung können mit den lateral aufgebauten GaN-HFETs sehr hohe Konverterschaltfrequenzen erreicht werden.

Für den Einsatz in leistungselektronischen Systemen sind in der Regel selbstsperrende Transistoren erforderlich. Durch den Einsatz eines p-GaN-Gatemoduls kann das FBH selbstsperrende GaN-Transistoren herstellen. Statische und dynamische Messungen belegen +1 V Einsatzspannung, 60 A maximalen Pulsstrom, 100 mΩ Einschaltwiderstand und 600 V Spannungsfestigkeit für Transistoren mit 134 mm Gateweite und einer Chipfläche von 2,9 x 3,8 mm². Die Drain-Source Schaltenergie für 400 V Schalten liegt bei 4 µJ und weist damit nur 60 % des Werts eines entsprechend dimensionierten Si-basierten CoolMOS Superjunction MOSFETs auf. Die für das Schaltereignis nötige Gateladung beträgt Q_G = 6 nC. Die resultierende Vergleichsgröße Q_G x R_ON = 0,6 nCΩ, ein Maß für die Schalteffizienz, ist somit einen Faktor 5 - 10 kleiner als für Si-basierte MOSFETs derselben Spannungsklasse. Die mit den GaN-Transistoren angestrebte Reduzierung der Schaltverluste ist folglich für die FBH Schalttransistortechnologie belegt.

600 V / 0,3 A Schaltversuche wurden mit kleinen Testtransistoren mit geringerer Gateweite und 5 Ω Einschaltwiderstand durchgeführt. Die Strom- und Spannungstransienten zeigen dabei kurze Anstiegszeiten von 70 ns.

Mit einem neuartigen Layout, das für eine effizientere Ausnutzung der Halbleiterfläche ausgelegt ist, wurden neue 600 V Transistoren mit 214,4 mm Gateweite auf 4.4 x 2.3 mm² Chipfläche realisiert. Diese Bauelemente haben 65 mΩ oder weniger Einschaltwiderstand. Der flächenspezifische Einschaltwiderstand konnte gegenüber der früheren Transistorgeneration um 40 % von R_ON x A = 1,09 Ωmm² auf R_ON x A = 0,66 Ωmm² verringert werden. Damit benötigt ein GaN-Transistorchip des FBH weniger Fläche als ein vergleichbarer Si-basierter 600 V Superjunction-MOSFET, der typischerweise ein R_ON x A = 1-3 Ωmm² aufweist. Die neuesten FBH-Bauelemente belegen, dass auch das laterale Konzept eines GaN-HFETs eine effiziente Ausnutzung der Chipfläche ermöglicht. Es ist somit sogar konkurrenzfähig zu vertikal aufgebauten Si-basierten Transistoren.

Publikationen:

O. Hilt, P. Kotara, F. Brunner, A. Knauer, R. Zhytnytska, J. Würfl,  "Improved Vertical Isolation for Normally-off High Voltage GaN-HFETs on n-SiC Substrates", IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 60, no. 10, pp. 3084-3090 (2013).

O. Hilt, E. Bahat-Treidel, F. Brunner, A. Knauer, R. Zhytnytska, P. Kotara, J. Wuerfl, "Normally-off GaN Transistors for Power Switching Applications", ECS Trans., vol. 58, no. 4, pp. 145-154 (2013).

N. Badawi, O. Hilt, E. Bahat-Treidel, S. Dieckerhoff, J. Würfl, "Switching Characteristics of 200 V Normally-off GaN HEMTs", Int. Exhibition and Conf. for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management (PCIM Europe), Nuremberg, ISBN 978-3-8007-3505-1, pp. 319-324, (2013).

FBH-Forschung: 29.04.2014