SiC-Power-MOSFETs Weitere Fortschritte bei Power-MOSFETs in Siliziumkarbid

Autor / Redakteur: Wolfgang Knitterscheidt, Siegfried W. Best * / Gerd Kucera

Entwickler können jetzt auf SiC-Power-MOSFET zugreifen, die in den wesentlichen Merkmalen weiter verbessert wurden. Ihre Eigenschaften werden hier skizziert und den GaN-Bauteilen gegenübergestellt.

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Bild 1: Vergleich der Schaltverluste verschiedener Leistungshalbleiter-Technologien.
Bild 1: Vergleich der Schaltverluste verschiedener Leistungshalbleiter-Technologien.
(Bild: Eurocomp)

Hauptsächlich geht der Artikel detailliert auf die Maßnahmen ein, die zu den verbesserten Eigenschaften der 1200-V-SiC-MOSFETs von Microsemi führten, die jetzt mit einem RDS(on) von 80 mΩ für 40 A bzw. 50 mΩ für 50 A Nennstrom angeboten werden. Der Hauptvorteil der Siliziumkarbid-Halbleiter (SiC) liegt im Vergleich zu reinen Silizium- (Si) oder Galliumarsenid-Halbleitern (GaAs) in ihrem größeren Abstand zwischen Valenzband und Leitungsband. 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 GaN mit 3,4 eV. Der größere Bandabstand lässt höhere Betriebstemperaturen zu, außerdem ist das Schaltverhalten unabhängig von der Temperatur. Gegenüber Si-Leistungs-MOSFETs, aber auch gegenüber IGBTs und ESBTs, haben die SiC-MOSFETs interessante Vorteile:

  • Als unipolare Halbleiter sind sie durch eine wesentlich geringere Gate-Kapazität sowie Gate-Ladung charakterisiert und besitzen dadurch geringste Schaltverluste.
  • Die geringe Abhängigkeit des sehr niedrigen Einschaltwiderstandes RDS(on) von der Temperatur verursacht einen nur geringen Spannungsabfall und geringe Verluste im leitenden Zustand. Bei Si-MOSFETs beträgt der Anstieg des RDS(on) über der spezifizierten Betriebstemperatur bis zu 250%, bei SiC-MOSFETs dagegen sind es nur 20%.
  • Bei SiC-Bauteilen gibt es nahezu keine Umkehr-Erholungsladung Qrr und damit verringerte Schaltverluste und verbessertes Schaltverhalten, was wiederum den Wirkungsgrad erhöht.
  • 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 10-mal größer; das führt zu höherer Leistungsdichte und Stromtragfähigkeit.
  • Durch den positiven Temperaturkoeffizienten ergibt sich eine Selbstregulierung, was das einfache Parallelschalten von Bauteilen fördert. Auch haben Wide-Bandgap-Halbleiter bis zu 100-fach 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. Hersteller Microsemi hat seine Halbleitertechnologie überarbeitet und bietet im Vergleich zum Wettbewerb 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.

Die Hochvoltpassivierung (die Microsemi auch bei den SiC-Schottky-Barrier-Dioden verwendet) zeigt auch nach vielen Stunden einer Zuverlässigkeitsprüfung nach HTRB-Methode keine Verschlechterung der Leckströme (die Abkürzung HTBR steht für High Temperature Reverse Bias, Hochtemperaturtest im Sperrbetrieb). Durch einen großzügigen Abstand der Sägekante beim Vereinzeln wird ein sicherer Abstand zu den aktiven Guard-Ringstrukturen des Chips eingehalten, was das Eindringen von Feuchtigkeit in die Guard-Ringstruktur verhindert.

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Die von Microsemi patentierte Technologie ermöglicht außerdem eine Sperrschichtstruktur mit einer geringen Durchlassspannung VF bei vergleichbarer Chipgröße (durch größeren Schottky-Bereich 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 (RDS(on) x Fläche).

Zusätzlich ergibt sich durch die Verwendung eines hochqualitativen Epilayer eine geringe Streuung der VF. Daraus resultiert auch ein optimales Verhältnis von VF und Sperrspannung BV (Blocking Voltage). 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 dem 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. hat ein 300-A-SiC-Modul bei 10 kHz geringere Verluste als ein 900-A-Si-IGBT bei 3 kHz.

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