Wide-Band-Gap Halbleiter SiC-Leistungs-MOSFETs weiter verbessert

Autor / Redakteur: Wolfgang Knitterscheidt und Siegfried W. Best / Peter Koller

Entwickler können jetzt auf SiC-Leistungs-MOSFET zugreifen, die in wesentlichen Merkmalen weiter verbessert wurden. Ihre Eigenschaften und die der GaN-Kollegen werden hier kurz verglichen. Hauptsächlich geht der Artikel detailliert auf die Maßnahmen ein, die zu den gesteigerten Eigenschaften der 1200 V SiC-MOSFETs von Microsemi führten, die jetzt mit einem Rdson von 80 mOhm (40 A) bzw. 50 mOhm (50 A) angeboten werden.

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Bild 1: Vergleich der Schaltverluste der verschiedenen Leistungshalbleitertechnologien.
Bild 1: Vergleich der Schaltverluste der verschiedenen Leistungshalbleitertechnologien.
(Microsemi/Eurocomp)

Der Hauptvorteil der SiC-Halbleiter liegt im Vergleich zu reinen Silizium- oder Galliumarsenid-Halbleitern in dem größeren Bandabstand, der Wide-Band-Gap. Während GaAs einen Bandabstand von 1,43 eV und Silizium einen von 1,12 eV hat, bietet die Kristallstruktur von SiC einen mehr als doppelt so großen von 3,2 eV. Einen noch größeren Bandabstand hat GaN mit 3,4 eV. Der größere Bandabstand lässt höhere Betriebstemperaturen zu, außerdem ist das Schaltverhalten unabhängig von der Temperatur.

Si-MOSFET contra SiC-MOSFET

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

  • Als unipolare Halbleiter haben sie wesentlich geringere Gatekapazität sowie Gateladung und damit geringste Schaltverluste.
  • geringe Abhängigkeit des sehr niedrigen Einschaltwiderstandes RDSon von der Temperatur, damit geringer Spannungsabfall und geringe Verluste im leitenden Zustand. Bei Si-MOSFETs beträgt der Anstieg des RDSon über der spezifizierten Betriebs-Temperatur bis 250 %, bei SiC MOSFETs dagegen nur 20 %.
  • Bei SiC nahezu keine Umkehr Erholungs-Ladung Qrr und damit verringerte Schaltverluste und verbessertes Schaltverhalten, was wiederum die Effizienz steigert.
  • 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, das führt zu höherer Leistungsdichte und Stromtragfähigkeit
  • durch positiven TK ergibt sich eine Selbstregulierung was wiederum eine einfache Parallelschaltung ermöglicht
  • Außerdem haben Wide-Band Gap Halbleiter bis zu 100fach geringere Leckströme verglichen zu Si-MOSFETs - dies besonders bei höheren Temperaturen.

Verbesserungen bei SiC-Leistungs-MOSFET

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 Waferprozess durch Auftragen vom Polyimid mittels Spin-on Verfahren.

Die Hochvoltpassivierung (die Microsemi auch bei den SiC Schottky Barrier Dioden verwendet) zeigt auch nach vielen Stunden unter HTRB keine Verschlechterung der Leckströme. Durch einen großzügigen Abstand der Sägekante beim Vereinzeln wird ein sicherer Abstand zu den aktiven Guardringstrukturen des Chips eingehalten, was das Eindringen von Feuchtigkeit in die Guardringstruktur 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 Rdson (Rds-sp) geringer (Rdson x Area).

Zusätzlich ergibt sich durch die Verwendung eines hochqualitativen Epilayers eine geringe Streuung der 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 Erholungs-Ladung Qrr optimal.

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