SIC-Leistungshalbleiter

Technologische Verbeserungen bei SiC-Power-MOSFET

15.07.14 | Autor / Redakteur: Wolfgang Knitterscheidt und Siegfried W. Best * / Gerd Kucera

Bild 1: Vergleich der Schaltverluste der verschiedenen Leistungshalbleiter-Technologien
Bild 1: Vergleich der Schaltverluste der verschiedenen Leistungshalbleiter-Technologien (Bilder: Eurocomp)

Entwickler von leistungselektronischen Systemen können jetzt auf SiC-Leistungs-MOSFET zugreifen, die in ihren wesentlichen Merkmalen weiter verbessert worden sind.

Während die Bauteileigenschaften der SiC-Leistungs-MOSFET mit denen der GaN-Halbleiter in diesem Artikel nur kurz verglichen werden, steht die detaillierte Beschreibung der Maßnahmen im Mittelpunkt, die zu den gesteigerten Eigenschaften der 1200-V-SiC-MOSFETs von Microsemi führten. Ab sofort stehen diese Leistungshalbleiter mit einem RDS(on) von 80 mΩ (40 A) bzw. 50 mΩ (50 A) zur Verfügung.

Der Hauptvorteil von Siliziumkarbid-Halbleitern (SiC) liegt im Vergleich zu reinen Silizium- (Si) oder Galliumarsenid-Halbleitern (GaAs) in dem größeren Abstand der Energiebänder (Wide Bandgap). Während GaAs einen Bandabstand von 1,43 eV und Si einen von 1,12 eV hat, bietet die Kristallstruktur von SiC einen mehr als doppelt so großen Abstand von 3,2 eV.

Einen noch größeren Bandabstand hat Galliumnitrid (GaN) mit 3,4 eV. Der größere Bandabstand lässt höhere Betriebstemperaturen zu und das Schaltverhalten ist unabhängig von der Temperatur.

Power-MOSFET in Silizium und in Siliziumkarbid

Gegenüber Si-Leistungs-MOSFETs, IGBTs und ESBTs haben die SiC-MOSFETs folgende Vorteile:

- Als unipolare Halbleiter haben sie eine wesentlich geringere Gate-Kapazität sowie Gate-Ladung und damit geringste Schaltverluste.

- Aufgrund der geringen Abhängigkeit des sehr niedrigen Einschaltwiderstandes RDS(on) von der Temperatur sind der Spannungsabfall und die Verluste im leitenden Zustand gering. Bei Si-MOSFETs beträgt der Anstieg des RDS(on) über der spezifizierten Betriebstemperatur bis 250%, bei SiC-MOSFETs dagegen betragen sie nur 20%.

- Bei SiC gibt es nahezu keine Umkehr-Erholungsladung Qrr, wodurch die Schaltverluste verringert und das Schaltverhalten verbessert werden, sodass die Effizienz steigt.

- Das Schaltverhalten ist zudem von der Temperatur unabhängig; das führt zu stabilem Verhalten bei hohen Temperaturen und zu ebenfalls verringerten Verlusten.

- Die thermische Leitfähigkeit von SiC ist 10x höher, was zu höherer Leistungsdichte und Stromtragfähigkeit führt.

- Durch den positiven Temperaturkoeffizienten ergibt sich eine Selbstregulierung, was wiederum eine einfache Parallelschaltung ermöglicht. Außerdem haben Wide-Bandgap-Halbleiter bis zu 100fach geringere Leckströme im Vergleich zu Si-MOSFETs (und dies besonders bei höheren Temperaturen).

Nach langjähriger Forschung ist die Ausbeute bei SiC-Leistungs-MOSFETs jetzt in einen Bereich gekommen, der marktfähige Preise zulässt. Außerdem wurde bei Microsemi die Halbleitertechnologie überarbeitet und bietet im Vergleich zum Mitbewerb eine stark verbesserte Passivierung. Die Hochvolt-Passivierung wird dabei in Dünnschichttechnik mit Oxynitride ausgeführt, andere Hersteller machen dies anschließend an den eigentlichen Wafer-Prozess durch Auftragen vom Polyimid mittels Spin-on-Verfahren.

Verbesserungen bei SiC-Leistungs-MOSFET

Die Hochvoltpassivierung (die Microsemi auch bei den SiC-Schottky-Barrier-Dioden verwendet) zeigt auch nach vielen Stunden unter HTRB (High Temperature Reverse Bias) keine Verschlechterung der Leckströme. Durch einen großzügigen Abstand der Sägekante beim Vereinzeln wird ein sicherer Abstand zu den aktiven Guardring-Strukturen des Chips eingehalten, was das Eindringen von Feuchtigkeit in die Guardring-Struktur verhindert.

Die von Microsemi patentierte Technologie ermöglicht außerdem eine Sperrschichtstruktur mit einer geringen VF bei vergleichbarer Chipgröße (durch größeren Schottkybereich und vergrabene P-Wells; eine doppelte Metallisierung ermöglicht die Nutzung des gesamten aktiven Bereichs für den MOSFET Kanal, damit wird der spezifizierte RDS(on) geringer.

Zusätzlich ergibt sich durch die Verwendung eines hochqualitativen Epilayers eine geringe Streuung der Durchlassspannung VF. Daraus resultiert auch ein optimales Verhältnis von VF und BV. Auch das Verhältnis von VF zu Qrr ist bedingt durch den kleineren Chip und die geringere Umkehr-Erholungsladung Qrr optimal.

Die Verbesserungen demonstrieren die Bilder 1 und Bild 2. Bild 1 vergleicht die Verluste von Si-MOSFET und IGBT bei 3 kHz mit SiC-Modul betrieben bei 20 kHz. Bild 2 unterschiedet nochmals zwischen Schaltverlusten und Verlusten im leitenden Zustand.

Das SiC-Modul ist bei 20 kHz effizienter als ein IGBT-Modul bei 3 kHz. Und ein 50-A-SiC-Modul ist effizienter als ein 150-A-IGBT-Modul, bzw. ein 300-A-SiC-Modul hat bei 10 kHz geringere Verluste als ein 900-A-Si-IGBT bei 3 kHz.

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