Thema: Leistungselektronik

Wind-/Solaranlage
Leistungskonverter sind elementare Bauteile in Wind- und Solaranlagen (© Jiss/Dreamstime.com)

GaN-Leistungselektronik für energieeffizientere technologische Lösungen

Energieeffizienz ist international eines der wichtigsten gesellschaftlichen Zukunftsthemen. Technische Lösungen, die weniger Energie verbrauchen oder diese effizienter nutzen, spielen dabei eine zentrale Rolle. Die Ansatzpunkte sind vielfältig. Eine Möglichkeit sind moderne Leistungskonverter, die den Primärenergieverbrauch reduzieren, indem sie Gleich- und Wechselstrom besonders effizient umwandeln und auf unterschiedliche Spannungen transformieren. Bei steigenden Leistungsdichten bieten sie zudem geringere Abmessungen und weniger Gewicht – dies spart zusätzlich Energie. Als elementare Bauelemente werden sie etwa in Solarmodulen und Windkraftanlagen, Stromversorgungen für Mobilfunk-Basisstationen und Computersysteme oder in Energieumsetzern für moderne Elektrofahrzeuge eingesetzt. Aufgrund der hohen Strahlungsfestigkeit von GaN-Bauelementen steigt auch das Interesse an einem Einsatz in der Raumfahrttechnik, speziell bei satellitengestützten Solarkonvertern.

Bei der technologischen Umsetzung dieser Konverter sind Galliumnitrid-basierte Halbleiter von besonderer Bedeutung. Damit aufgebaute Leistungskonverter können aufgrund der Materialeigenschaften von Galliumnitrid (GaN) hohe Leistungen bei kleinen System-Bauvolumina im MHz-Bereich schnell schalten. Der Einschaltwiderstand bei gegebener Nennspannung lässt sich damit gegenüber Silizium (Si)-Transistoren um mindestens eine Größenordnung verbessern. Dieses Potenzial wurde im Labormaßstab am FBH und auf internationaler Ebene mehrfach nachgewiesen; die Technologie steht kurz vor der industriellen Reife. Auch die hohen Qualitätsanforderungen für den Einsatz im Weltraum haben GaN-Transistoren aus dem FBH bestanden: Sie kommen in Kürze an Bord des geostationären Alphasat-Satelliten im All zum Einsatz.

Schlüsselbauelemente für diese und weitere Anwendungen in der Leistungselektronik sind selbstsperrende Leistungstransistoren. Diese werden mit einer positiven Steuerspannung am Gate eingeschaltet und schalten bei fehlender Steuerspannung automatisch ab. Somit sind sie inhärent sicher und eignen sich für den Einsatz in Konvertersystemen, die eine besonders hohe Zuverlässigkeit erfordern. Dank der langjährigen Forschungen auf diesem Gebiet kann das FBH Ergebnisse auf dem internationalen Stand der Technik vorweisen. Das Portfolio der bislang realisierten selbstsperrenden Leistungstransistoren reicht von Bauelementen mit hoher Stromtragfähigkeit von 150 A und 250 V Sperrspannung bis hin zu Transistoren mit 5 A Stromtragfähigkeit und 1200 V Sperrspannung.

Da GaN-Halbleiterschichten mittlerweile auf bis zu 200 mm großen Si-Substraten abgeschieden werden, lassen sich die hervorragenden elektronischen Eigenschaften der GaN-Halbleiter mit den kostengünstigen Produktionsmöglichkeiten der Si-Halbleiterindustrie kombinieren. Daher ist zu erwarten, dass sich GaN-basierte Leistungstransistoren mittelfristig auch hinsichtlich der Kosten mit Si-Transistoren messen können.

GaN-Hochvolttransistoren für die Leistungselektronik

Normally-off Leistungstransistor
Selbstsperrender 250 V/150 A-Leistungstransistor mit Blei-Zinn-Bumps für Flip-Chip-Montage
Kennlinienfeld
Ausgangskennlinien eines selbstsperrenden GaN-Leistungstransistors (250 V Betriebsspannung, 85 mOhm Einschaltwiderstand)

Galliumnitrid (GaN) zeichnet sich durch eine hervorragende Durchbruchsfeldstärke von 3,3 MV/cm aus – dieser Wert liegt etwa zehnmal höher als der von Silizium (Si). Daher lassen sich mit GaN-basierten Leistungstransistoren deutlich höhere Leistungsdichten und Schaltfrequenzen als mit Si-Transistoren realisieren. High Electron Mobility Transistoren (HEMTs) kombinieren hohe Elektronenbeweglichkeit und hohe Sättigungsgeschwindigkeit. Damit eignen sie sich für hohe Frequenzen und sehr schnelle Schaltanwendungen. Sie bestehen aus Schichten verschiedener Halbleitermaterialien mit unterschiedlich großen Bandlücken. Bei GaN-basierten HEMTs ermöglicht ein AlGaN/GaN-Heteroübergang dank seines vergleichsweise hohen Bandabstands höhere Betriebsspannungen. Dabei bildet sich an der Grenzfläche eine sehr leitfähige Elektronenschicht, die den Kanal im Transistor bildet, das so genannte zweidimensionale Elektronengas (2DEG). Unipolare Bauelemente mit einem besonders großen Verhältnis aus Spannungsfestigkeit zu flächenbezogenem Einschaltwiderstand können so realisiert werden. Sie weisen daher nur geringe Schaltverluste auf. Konvertersysteme mit GaN-Transistoren profitieren daher von hoher Spannungsfestigkeit, hohen Strömen und hohen Schaltfrequenzen bis in den MHz-Bereich. Aufgrund ihres Funktionsprinzips sind GaN-HEMTs inhärent selbstleitend; sie können jedoch in selbstsperrende Transistoren umgewandelt werden. Diese werden in der Leistungselektronik aus Sicherheitsgründen bevorzugt.

Schwerpunkte der Entwicklungsarbeiten am FBH:

  • Selbstsperrende GaN-Transistoren
    Bei selbstsperrenden GaN-Leistungstransistoren setzt das FBH auf die p-GaN-Gate-Technologie. Dabei wird ein intrinsischer Potenzialverlauf in der Nähe des Gates so erzeugt, dass die Bauelemente nur durch eine positive Steuerspannung einschaltbar sind. Charakteristisch ist eine Einsatzspannung von etwa +1,5 V und eine Gateaussteuerbarkeit bis etwa +5 V. Bei 0 V Gatespannung sind die Transistoren daher sicher ausgeschaltet. Die Schaltdynamik, das heißt der Unterschied zwischen ein- und ausgeschaltetem Strom, beträgt mindestens sechs Größenordnungen.    

  • GaN-Transistoren mit 1000 V Spannungsfestigkeit
    Durch den Einbau einer rückseitigen Barriere in die GaN-Halbleiterschichten können die Elektronen auch bei hohen Sperrspannungen im Kanal konzentriert werden. Spannungsfestigkeiten oberhalb 150 V/µm Gate-Drain-Abstand werden erreicht. Der flächenspezifische Einschaltwiderstand von 1000 V-Bauelementen wird auf < 1 mWcm2 reduziert.

  • Hochstromtransistoren bis 150 A
    Ein am FBH entwickeltes, zellular aufgebautes Transistorlayout erlaubt die einfache zweidimensionale Skalierung hin zu hoher Stromtragfähigkeit. Realisiert wurden 150 A/250 V-Transistoren für Flip-Chip-Montage auf einem Keramik-Submount mit integrierter Hochstrom-Verdrahtungsebene.

Die Kombination dieser Eigenschaften qualifiziert FBH-Transistoren für Hochleistungsanwendungen in der Automobilelektronik, der terrestrischen oder weltraumgestützten Solarkonvertertechnik und anderen Applikationen.

Publikationen:

J. Würfl, E. Bahat-Treidel, F. Brunner, M. Cho, O. Hilt, M. Weyers, R. Zhytnytska, "High voltage normally-off transistors and Schottky diodes based on GaN technology", ECS Trans., vol. 41, no. 8, pp. 127-138 (2011).

J. Würfl, E. Bahat-Treidel, F. Brunner, E. Cho, O. Hilt, P. Ivo, A. Knauer, P. Kurpas, R. Lossy, M. Schulz, S. Singwald, M. Weyers, R. Zhytnytska, "Reliability issues of GaN based high voltage power devices", Microelectron. Reliab., vol. 51, no. 9-11, pp. 1710-1716 (2011).

O. Hilt, E. Bahat-Treidel, R. Zhytnytska, P. Kotara, and J. Würfl, "Bauteile aus GaN - Sicht auf die Halbleitertechnologie", ETG-Fachbericht 128, "Bauelemente der Leistungselektronik und ihre Anwendungen", pp. 47-56 (2011).

Montage von GaN-Leistungstransistoren

GaN-Hochvolt-Chip
50 A GaN-Hochvolt-Chip mit Blei-Zinn-Bumps in Flip-Chip-Montage auf thermisch angepasstem Submount

GaN-Leistungstransistoren aus dem FBH zeichnen sich durch einen lateralen Aufbau aus. Alle Anschlüsse befinden sich dabei auf der Chip-Vorderseite. Dies erlaubt die einfache Flip-Chip-Montage, die im Vergleich zu anderen Montageverfahren zu geringeren parasitären Induktivitäten führt. Dies wiederum ist eine der Voraussetzungen für schnelles und effizientes Schalten.

Zur optimalen Wärmeabfuhr hat das FBH eine Bumptechnologie entwickelt, bei der kleine Metallkugeln vollautomatisch auf einer angepassten Under-Bump-Metallisierung sehr präzise platziert werden. Diese Kugeln verschmelzen in einem Temperprozess zu den Bumps genannten „Lothöckern“. Die derzeitige Technologie ist für Blei-Zinn-Bumps optimiert; Kupfer-Bumps für eine noch bessere Wärmeableitung werden derzeit entwickelt. Selbstverständlich ermöglicht der Leistungstransistor-Prozess auch die Montage in herkömmlicher Drahtbondtechnik. Neben den lateralen Konzepten entwickelt das FBH derzeit auch Leistungstransistoren mit einem quasi-vertikalen Aufbau. Dieses Konzept eignet sich für die beidseitige Chipentwärmung und nutzt die Chipfläche noch besser aus. GaN-Hochvolt-Leistungstransistoren auf Siliziumkarbid-Substraten sind ab 2012 über die FBH-Ausgründung BeMiTec kommerziell verfügbar.

GaN-Schottkydioden für effiziente Konvertertechnologien

GaN-Schottkydioden
Montierte GaN-Schottkydioden für den Betrieb bei 600 V, 1 A
Kennline Schottkydioden
Typische Kennline von Schottkydioden mit Kohlenstoff-dotiertem GaN-Puffer

Breitlückige Halbleitermaterialien wie beispielsweise GaN/AlGaN-Heterostrukturen sind hoch attraktiv, da sie hohe Durchbruchspannungsfestigkeit im gesperrten Zustand mit elektrischer Leitfähigkeit im eingeschalteten Zustand kombinieren. Ein wesentlicher Nachteil ist bislang die vergleichsweise hohe Einschaltspannung, die im eingeschalteten Zustand zu deutlichen Verlusten führt. Ideal sind Schottkydioden mit geringer Einschaltspannung in Kombination mit schnellem Schaltverhalten und geringen Speicherzeiten. Aufgrund der in GaN-HEMTs prinzipiell fehlenden Bodydiode sind nahezu ideale, schnell schaltende Schottkydioden notwendig, die als Freilaufdioden in schnell schaltenden Invertertopologien eingesetzt werden können. Die elektrischen Eigenschaften der Dioden wie Durchbruchspannung, Einschaltwiderstand und Schaltverhalten müssen zu neuen hocheffzienten GaN-Schaltern kompatibel sein, um effiziente Konvertertopologien zu ermöglichen. In diesem Zusammenhang hat das FBH GaN-Schottkydioden mit lateraler Topologie entwickelt, welche die hohe elektrische Leitfähigkeit des 2-dimensionalen Elektronengases an der GaN/AlGaN-Grenzfläche sehr effizient ausnutzen. Sie zeichnen sich durch eine sehr geringe Einschaltspannung von nur 0,5 V in Verbindung mit einer hohen Spannungsfestigkeit von über 1000 V, eine hohe Schaltgeschwindigkeit und geringe Speicherzeiten aus.

Publikation:

E. Bahat-Treidel, O. Hilt, R. Zhytnytska, E. Cho, J. Würfl and G. Tränkle, "AlGaN/GaN/GaN:C back-barrier Schottky diodes for power switching", 35rd Workshop on Compound Semiconductor Devices and Integrated Circuits (WOCSDICE), Catania, Italy, May 29 - Jun 1, ISBN 978-88-8080-123-8, pp. 165-166 (2011).

p-GaN-Gate-Technologie für selbstsperrende GaN-Transistoren

Leitungsbandverlauf p-GaN-Gate
Leitungsbandverlauf unterhalb eines selbstsperrenden p-GaN-Gates (blaue Linie, Aufbau: Inset oben) im Vergleich zu einem Schottky-Gate (rote Linie, Aufbau: Inset unten)

GaN-HEMTs nutzen eine dünne leitfähige Schicht an der Grenzfläche zwischen dem GaN-Puffer und der AlGaN-Barriere als Transistorkanal. Mit zunehmend negativer Spannung an der metallischen Steuerelektrode (Gate) auf der Oberfläche der AlGaN-Barriere kommt es unter der Elektrode zu einer Verarmung an Elektronen, der Transistor beginnt zu sperren. In p-GaN-Gate-Transistoren wird das Gate des GaN-HEMTs durch ein p-leitendes GaN-Halbleitergate ersetzt. Dadurch entsteht eine negativ geladene Raumladungszone, die die Elektronen im Transistorkanal unterhalb des Gates verdrängt. Dies geschieht auch ohne extern angelegte Gatespannung (selbstsperrender Transistor). Der Transistorkanal beginnt sich bei einer positiven Schwellenspannung von circa 1,5 V zu öffnen, voll geöffnet (eingeschaltet) ist er bei etwa 5 V. Beim geöffneten Transistor fließen die Elektronen etwa 10 - 20 nm unterhalb des p-dotierten Gatebereichs und damit räumlich getrennt von den Akzeptoren. Die Elektronenbeweglichkeit im Kanal bleibt somit vollständig erhalten.

Publikationen:

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).

O. Hilt, A. Knauer, F. Brunner, E. Bahat-Treidel and J. Würfl, "Normally-off AlGaN/GaN HFET with p-type GaN Gate and AlGaN Buffer", Int. Symp. on Power Semiconductor Devices & IC's (ISPSD 2010), Hiroshima, Japan, Jun. 6-10, pp. 347-350 (2010).

Konzepte für GaN-Hochspannungs-Leistungstransistoren

Simulation Elektronenkonzentration
Simulation der Elektronenkonzentration in einem gesperrten GaN-HEMT (a) mit GaN-Pufferschicht und deutlich ausgeprägtem Punch-through-Effekt und (b) mit AlGaN-Pufferschicht und unterdrücktem Punch-through-Effekt

Der elektrische Durchbruch in einem gesperrten GaN-HEMT zeigt sich durch einen schnell ansteigenden Drainleckstrom. Bei hohen Drainspannungen können Elektronen dabei den Einflussbereich des Gates umgehen und zu einem vorzeitigen Durchbruch des Transistors beitragen. Dieser als "Punch-through" bezeichnete Effekt kann durch eine Potenzialbarriere verhindert werden, etwa durch einen AlGaN-Puffer, der die Elektronen auf den Kanalbereich konzentriert. Dabei wirkt die AlGaN-Schicht durch die Polarisationsdotierung wie eine p-Dotierung und baut somit nach unten zum Puffer hin eine Barriere für die Elektronen auf. Eine Kohlenstoff- oder Eisendotierung im Puffer bewirkt einen vergleichbaren Effekt. Auf Basis dieser Konzepte wurden am FBH Transistoren realisiert, die eine Durchbruchsfestigkeit von 190 V/µm Gate-Drainabstand und eine Sperrspannung von mehr als 1000 V bieten.

Publikationen:

E. Bahat-Treidel, F. Brunner, O. Hilt, E. Cho, J. Würfl, and G. Tränkle, "AlGaN/GaN/GaN:C Back-Barrier HFETs With Breakdown Voltage of Over 1 kV and Low RON × A", IEEE Trans. Electron Devices, vol. 57, no. 11, pp. 3050-3058 (2010).

E. Bahat-Treidel, O. Hilt, F. Brunner, J. Würfl, and G. Tränkle, "Punchthrough-Voltage Enhancement of AlGaN/GaN HEMTs Using AlGaN Double-Heterojunction Confinement", IEEE Trans. Electron Devices, vol. 55, no. 12, pp. 3354-3359 (2008).