GaN-HEMTs helfen, die Effizienz der Stromversorgung zu erhöhen

Ich muss ein Geständnis ablegen. Während meiner langjährigen Tätigkeit in der Elektronikbranche, sowohl als Schaltungsentwickler als auch als Redakteur, habe ich festgestellt, dass die meisten Ingenieure (mich eingeschlossen) nicht sonderlich an den tiefgründigen Details von Halbleitermaterialien, -prozessen und -fertigungstechnologien interessiert sind. Sicherlich gibt es Menschen, die für die jährliche IEEE ISSCC (International Solid State Circuits Conference) leben und sich um Prozessdetails und Innovationen kümmern, und ihre Arbeit ist wichtig, beeindruckend und bewundernswert.

Die meisten Entwicklungsingenieure wollen jedoch nicht wissen, wie ein Gerät hergestellt wird, sondern was es kann: seine Stärken, Schwächen, Kompromisse und andere wichtige Eigenschaften. Die Aussage „Mein Prozess ist kleiner, besser, stromsparender, schneller und auch billiger als Ihrer“ ist an sich nicht besonders aufregend; stattdessen sind es die daraus resultierenden Bauteile und ihre Zahlen und Grafiken im Datenblatt, die für die meisten potenziellen Nutzer wirklich wichtig sind.

Trotz dieser Ansicht ist die Realität, dass die Prozesstechnologie wichtig und grundlegend für die Fortschritte in der Halbleiterleistung und -fähigkeit ist. Das gilt vor allem für den Bereich der Leistungskomponenten, wo die Kommerzialisierung neuer oder verbesserter Verfahren die Möglichkeiten von Schaltkreisen und deren Systemen neu definiert. Die Anwendungen reichen von kleinen Smartphone-Ladegeräten bis hin zu Elektrofahrzeugen und deren Ladestationen. Ich könnte diese Fortschritte als „revolutionär“ bezeichnen, aber dieses Wort ist überstrapaziert und hat seine wahre Bedeutung verloren.

Komponenten mit großer Bandlücke als Kernstück der neuen Möglichkeiten

Der Kern dieses Wandels ist die Verfügbarkeit von Leistungshalbleitern mit großer Bandlücke (WBG), die mit Materialien und Verfahren aus Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) hergestellt werden. Die WBG-Bauteile bieten im Vergleich zu den herkömmlichen, nur aus Silizium bestehenden Bauteilen zahlreiche Vorteile und ersetzen diese in vielen Fällen oder ermöglichen neue Designs, die zuvor nicht möglich waren (Abbildung 1).

Abbildung 1: Die relativen Eigenschaften von GaN- und SiC-basierten Leistungsbauelementen zeigen, dass diese neueren WBG-Bauelemente im Vergleich zu reinen Silizium-Bauelementen attraktive Leistungswerte aufweisen. (Bildquelle: Scholarly Community Encyclopedia)

Insbesondere GaN-basierte Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMTs) sind konventionellen Silizium-basierten Bauelementen in Bezug auf Schaltfrequenz, Leistung, thermische Belastbarkeit und Effizienz überlegen, was alles entscheidende Faktoren für die Verbesserung der Leistung moderner Leistungswandler sind. Diese Vorteile sind das Ergebnis der GaN-eigenen Vorzüge der WBG-Spannung, des hohen elektrischen Feldes bei kritischem Durchbruch, der hohen Wärmeleitfähigkeit und der hohen elektronischen Sättigungsgeschwindigkeit. GaN-basierte Leistungsschaltbauteile bieten einen geringen Durchlasswiderstand, hohe Strombelastbarkeit und hohe Leistungsdichte.

Kommerziell erhältliche Leistungsschaltkomponenten auf GaN-Basis bieten eine Betriebsspannung von 100 Volt bis fast 1000 Volt, eine hohe Schaltfrequenz, Hochtemperaturbetrieb und geringe Schaltverluste. GaN hat höhere Gütewerte als SiC, allerdings ist das Material schwieriger zu kristallisieren und zu verarbeiten.

HEMT ist eine GaN-Technologie, bei der Elemente nur auf der Oberfläche eines Substrats gebildet werden, auf dem GaN-Kristallwachstum möglich ist. Derzeit sind die wichtigsten kommerziellen GaN-FETs laterale HEMTs.

Die laterale Struktur von GaN-FETs besteht aus einem Siliziumsubstrat, einem GaN-Puffer, einer Barriere aus Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN), drei Anschlussklemmen (Source, Gate und Drain), einer Passivierungsschicht (Schutzdielektrikum) und einer vom Source-Anschluss ausgehenden Feldplatte (Abbildung 2). Der Heteroübergang (ein Übergang zwischen zwei verschiedenen Halbleitern) der AlGaN-Barriere und des GaN-Puffers bildet einen zweidimensionalen Elektronengaskanal (2DEG).

Abbildung 2: Die Struktur von GaN-Leistungsbauelementen zeigt mehrere Schichten und einen 2DEG-Kanal, durch den der Strom fließt oder abgeschaltet wird. (Bildquelle: ResearchGate)

Dieser Kanal weist eine hohe Ladungsdichte und Beweglichkeit auf. Der Strom fließt im 2DEG-Kanal, im Gegensatz zu einem Si-MOSFET, bei dem der Kanal für den Stromfluss die Verarmungszone zwischen Source und Drain ist.

Beachten Sie, dass ein Standard-GaN-HEMT normalerweise „eingeschaltet“ ist, im Gegensatz zu einem herkömmlichen MOSFET, der normalerweise „ausgeschaltet“ ist. Um einen GaN-HEMT in den ausgeschalteten Zustand zu versetzen, der einfacher zu handhaben ist und aus Gründen der Bequemlichkeit und Sicherheit in den meisten Schaltungsentwürfen bevorzugt wird, muss die 2DEG-Schicht abgetragen werden, was wiederum die Unterbrechung des Stromflusses zur Folge hat.

Folglich gibt es zwei verschiedene Typen von GaN-Schaltkomponenten: den Anreicherungstyp (e-GaN) und den Verarmungstyp (d-GaN). Ein Verarmungstransistor ist normalerweise eingeschaltet und benötigt zum Ausschalten eine negative Spannung am Gate. Ein Anreicherungstransistor ist normalerweise ausgeschaltet und wird durch eine am Gate angelegte positive Spannung eingeschaltet.

SiC gegenüber GaN

Der wichtigste Unterschied zwischen GaN und SiC liegt in der Elektronenbeweglichkeit, die angibt, wie schnell sich Elektronen durch das Halbleitermaterial bewegen können. Standardsilizium hat eine Elektronenbeweglichkeit von 1500 Zentimeter² pro Volt und pro Sekunde (cm²/(V·s)). SiC hat jedoch eine Elektronenbeweglichkeit von 650 cm²/(V·s), und GaN hat eine Elektronenbeweglichkeit von 2000 cm²/(V·s), was bedeutet, dass sich die Elektronen von SiC langsamer bewegen als die von GaN und Silizium.

Die Elektronen von GaN können sich über 30 % schneller bewegen als die Elektronen von Silizium. Mit dieser erhöhten Elektronenbeweglichkeit ist GaN fast dreimal besser für Hochfrequenzanwendungen geeignet.

Außerdem hat GaN eine Wärmeleitfähigkeit von 1,3 Watt/(Zentimeter·Kelvin) (Watt/(cm·K)), die schlechter ist als die von Silizium mit 1,5 Watt/(cm·K). SiC hat jedoch eine Wärmeleitfähigkeit von 5 Watt/(cm·K) und ist damit fast dreimal so effizient bei der Übertragung von Wärmelasten. Diese Eigenschaft verschafft SiC einen großen Vorteil bei Hochleistungs- und Hochtemperaturanwendungen.

GaN und SiC erfüllen unterschiedliche Leistungsanforderungen auf dem Markt. SiC-Bauelemente bieten Spannungspegel von bis zu 1200 Volt und eine hohe Strombelastbarkeit. Dadurch eignen sie sich für Anwendungen wie Antriebswechselrichter für Kraftfahrzeuge und Lokomotiven, Hochleistungs-Solaranlagen und große dreiphasige Netzumrichter.

Im Gegensatz dazu sind GaN-HEMT-Bauelemente in der Regel für 650 Volt ausgelegt und können Wandler mit hoher Leistungsdichte im Bereich von 10 Kilowatt (kW) und mehr ermöglichen. Zu ihren Anwendungen gehören Stromversorgungen für Verbraucherelektronik, Server, Telekommunikation und Industrie, Treiber für Servomotoren, Netzwandler sowie Onboard-Ladegeräte und DC/DC-Wandler für Elektrofahrzeuge.

Trotz dieser Unterschiede überschneiden sich die SiC- und GaN-Technologien bei einigen Anwendungen unter 10 kW.

Verfügbare GaN-Bauelemente unterstreichen Performance

Während die Entwicklung von Bauelementen auf GaN-Basis viele Jahre der Forschung und Entwicklung im Labor sowie Produktionsanstrengungen erforderte, werden GaN-Bauelemente bereits seit über einem Jahrzehnt kommerziell hergestellt. Zwei Beispiele sind die 650-Volt-GaN-HEMTs GNP1070TC-Z und GNP1150TCA-Z von ROHM Semiconductor, die beide für eine breite Palette von Stromversorgungssystemen optimiert sind (Abbildung 3). Der GNP1070TC-Z ist ein Bauelement vom Anreicherungstyp für 20 Ampere (A) und 56 Watt mit einem Drain-Source-Widerstand (R_DS(on)) von 70 Milliohm (mΩ) und einer Gate-Ladung (Q_g) von nur 5,5 Nanocoulomb (nC) (beides typisch). Für den GNP1150TCA-Z, ein 11A-Bauelement für 62,5 Watt, liegen die entsprechenden Werte bei 150 mΩ bzw. 2,7 nC.

Abbildung 3: Dargestellt ist die innere Schaltung des GaN-HEMT GNP1070TC-Z für 20 A, der dem 11-A-GNP1150TCA-Z ähnelt; beide eignen sich für eine Reihe von Leistungsanwendungen mit 650 Volt. (Bildquelle: ROHM Semiconductor)

Diese beiden Komponenten wurden gemeinsam mit Ancora Semiconductors, Inc. entwickelt, einer Tochtergesellschaft von Delta Electronics, Inc. die GaN-Bauelemente entwickelt. Sie bieten eine marktführende Performance, die zu einem höheren Wirkungsgrad und einer geringeren Größe bei einer größeren Anzahl von Anwendungen zur Stromversorgung beiträgt.

Sie sind in 8-poligen DFN8080K-Gehäusen mit den Abmessungen 8 × 8 × 0,7 Millimeter untergebracht (Abbildung 4).

Abbildung 4: Trotz ihrer höheren Strom- und Spannungswerte sind die GaN-Bauelemente GNP1070TC-Z und GNP1150TCA-Z in Gehäusen untergebracht, die auf jeder Seite nur 8 mm breit sind. (Bildquelle: Rohm Semiconductor)

Fazit

WBG-Leistungsschaltkomponenten, die GaN-HEMTs verwenden, bieten erhebliche Leistungsvorteile im Vergleich zu herkömmlichen reinen Silizium-Bauelementen. Sie haben auch deutliche Vorteile gegenüber SiC-Bauelementen in Bezug auf die Betriebsfrequenz und die Wärmeableitung, wobei letztere in der Praxis besonders wichtig ist. Durch den Einsatz von GaN-Bauteilen wie den GNP1070TC-Z für 20 A/650 Volt und den GNP1150TCA-Z für 11 A/650 Volt von ROHM Semiconductor können Leistungswandler und Stromversorgungen realisiert werden, die sonst nicht realisierbar wären oder starke Betriebseinschränkungen hätten.

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