Selbstsperrende GaN-Schalttransistoren mit niedrigem Einschaltwiderstand
Abb. 1: 80 mW / 300 V GaN-Schalttransistoren mit 4,5 mm × 2,4 mm Chipgröße auf einem 3" Wafer.
Abb. 2: Ausgangskennlinienfeld eines 80 mOhm / 300 V GaN-Schalttransistors. Die Gatespannung ist angegeben.
GaN-basierte Hochspannungsschalttransistoren erlauben aufgrund ihres geringen flächenspezifischen Einschaltwiderstands und ihrer geringen Gatekapazität besonders effiziente Leistungskonverter. Sie können wegen ihrer geringen Verluste pro Schaltzyklus bei höheren Frequenzen betrieben werden als Konverter mit Si-basierten Halbleiterschaltern. Kompaktere und leichtere Konverter sind somit möglich. Mehrere 100 V Sperrspannungsfestigkeit und Einschaltwiderstände unterhalb 100 mW sind für Leistungskonverter im kW-Bereich erforderlich. Die dafür notwendigen Strukturen benötigen mehrere mm2 Chipfläche . Sie stellen damit hohe Anforderungen sowohl andie Qualität der mittels Heteroepitaxie gewachsenen Halbleiterschichten als auch an die Robustheit und Reproduzierbarkeit der Prozessierung.
Das FBH realisierte auf einem 4,5 mm × 2,4 mm großen Chip selbstsperrende 300 V GaN-Transistoren mit nur 80 mW Einschaltwiderstand für den bei +5 V Gatespannung geöffneten Transistor. Die Pulsstrombelastbarkeit liegt oberhalb 50 A. Dies erfordert eine Gateweite von 156 mm. Bei 0 V Gatespannung ist der Transistor geschlossen und sperrt über 300 V; der Leckstrom beträgt dann weniger als 50 µA.
Die Bauteile wurden auf n-leitfähigen 3" SiC-Substraten realisiert und demonstrieren somit die Isolationsfähigkeit des gewachsenen GaN-Halbleiters. Dies ist eine der wesentlichen Voraussetzung, um diese GaN-Technologie später erfolgreich auf Silizumsubstrate zu übertragen. Deren wesentlich größere verfügbaren Durchmesser (6"-8") und geringere Kosten eröffnen dann der GaN-basierten Leistungselektronik eine wirtschaftliche Perspektive im Wettbewerb zu Si-basierten Leistungstransistoren.
Publikation:
O. Hilt, F. Brunner, E. Cho, A. Knauer, E. Bahat-Treidel and J. Würfl, "Normally-off High-Voltage p-GaN Gate GaN HFET with Carbon-Doped Buffer", Proc. Int. Symp. on Power Semiconductor Devices & IC's (ISPSD), San Diego, CA, May 23-26, pp. 239-242 (2011).
FBH-Forschung: 23.12.2011