Galliumnitrid erobert die Leistungselektronik
Das Halbleitermaterial Silizium ist bei Leistungskomponenten vielfach nicht mehr erste Wahl. Siliziumkarbid (SiC) und zunehmend auch Galliumnitrid (GaN) glänzen mit deutlich besseren Eigenschaften.
Foto: Imago/Uwe Steinert
Die Leistungselektronik steht vor einem fundamentalen Paradigmenwechsel, bedingt durch neue Materialien, vor allem Verbindungshalbleiter mit großem energetischem Bandabstand wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN). Beide können bald die klassische, seit mehr als 30 Jahren eingesetzte Leistungs-elektronik auf Basis des universell verwendeten Siliziums ersetzen.
Das bringt erhebliche Vorteile bei den elektrischen Eigenschaften – oft um ganze Größenordnungen. Das beginnt bei der Leistungsdichte pro Bauteil und erlaubt wesentlich kompaktere Systeme, und setzt sich mit hohen Schaltgeschwindigkeiten (einige hundert kHz und mehr), höheren Betriebstemperaturen bis zu 250 °C und niedrigeren Durchlasswiderständen, gleichbedeutend mit geringeren Schaltverlusten, fort.
Besonders auf die GaN-Leistungshalbleiter – sie werden derzeit per gesteuertem Kristallwachstum (Epitaxie) als Schichten auf Siliziumsubstraten gefertigt – richten sich die Spekulationen der Märkte und die Erwartungen der Entwickler von Schaltnetzteilen, Solarkomponenten und Motorsteuerungen. Ein vom französischen Marktforscher Yole Développement vorgelegter Report über die GaN-Leistungselektronik sieht für 2020 ein jährliches Marktvolumen von 600 Mio. $ voraus, mit einer mittleren Wachstumsrate von 80 %. Das entspräche bei der dann gängigen 6-Zoll-Wafertechnologie einer Jahresverarbeitung von knapp 600 000 GaN-auf-Si-Wafern.
Noch aber geht es im Feld der GaN-Produkte für die Leistungselektronik recht ruhig zu, sagt der Autor der Studie, Philippe Roussel. Derzeit ist das ein Markt von etwa 15 Mio. $. Intensiv geforscht und entwickelt wird seit 15 Jahren, in Japan, den USA und in Europa, unter anderem bei diversen Fraunhofer-Instituten. Jetzt liegen erste industrielle Schaltungen vor, die den Anwendermarkt treiben können. Eine gute Übersicht bot die im Mai in Nürnberg abgehaltene Fachmesse PCIM Europe.
Für das größte Aufsehen sorgte dort ein noch für 2014 zur Serienfertigung vorgesehener GaN-Leistungstransistor von Panasonic. Er ist für eine Sperrspannung von 600 V ausgelegt, was den typischen Anforderungen von Drehstromsteuerungen entspricht. Der Baustein ist, was einen bedeutenden Fortschritt der GaN-Technik darstellt, als „Gate Injection Transistor“ (GIT) ausgelegt. Das macht ihn zum „selbst sperrenden“ Typ: Er lässt ohne Steuerspannung am Gate keinen Strom durch, ist also im Aus-Zustand. Aus Sicherheitsgründen wird dies oft gefordert.
Maßgebend für diese Eigenschaften ist die Beherrschung des gefürchteten dynamischen Anstiegs des Durchlasswiderstandes („current collapse“) und der Epitaxie-Prozesse zum Aufbringen der bis zu 5 µm dicken Pufferschichten unter dem aktiven GaN-Layer. Sie bestehen meist aus Aluminium- und Galliumnitrid und sollen die Kristallgitter-Fehlanpassung zwischen GaN und Siliziumsubstrat ausgleichen, die sonst bei der Waferbearbeitung zu Fehlstellen („Cracks“) und starker Durchbiegung führt.
Zukunftsweisend ist hier das „Superlattice-Verfahren“ von Panasonic, Furukawa und Dowa, urteilt Roussel. Die Reaktoren für die epitaxiale Deposition stammen durchweg vom deutschen Equipment-Anbieter Aixtron. Andere aktive Anbieter sind der GaN-Pionier International Rectifier und das kalifornische Start-up-Unternehmen Transphorm, das kürzlich mit der Übernahme von Patenten von Fujitsu und Furukawa Schlagzeilen gemacht hat.
Doch trotz der wachsenden Schar von GaN-Anbietern zeigen sich bereits Konsolidierungseffekte, sogar Firmenschließungen, wie beim deutschen Start-up Azzurro. Richtig abheben, sagt Philippe Roussel, wird der GaN-Markt erst 2016 – wegen der langwierigen Qualifizierungsprozesse der Bauteile durch die potenziellen Anwender. Derzeit lieferbare GaN-Komponenten sind fast alle für 200-V-Sperrspannungen spezifiziert. Das begrenzt sie derzeit auf Niederspannungsgeräte.
Spezifische Innovationen sind noch für die Verbindungs- und Gehäusetechnik gefordert, vor allem wegen der hohen Betriebstemperaturen und Schaltfrequenzen. Das klassische Drahtbonding gehe laut Roussel nicht, da die Drähte wie Antennen wirken. Außerdem bedarf es entsprechender Kühlflächen.
Mit ihren aktuellen Daten könnten die GaN-Leistungsbauelemente mit etablierten SiC-Produkten konkurrieren, die heute das Feld der Solar-Wechselrichter beherrschen. Doch das ist, sagt Roussel, noch ein langer Weg der Kostendegression: „SiC ist eine reale Technik, ab Lager lieferbar. GaN ist noch nicht so weit.“ Denn SiC-Bauelemente von STMicroelectronics, Infineon, Cree, Rohm und anderen punkten derzeit noch mit 1200-V-Sperrspannung, 45-A-Drainstrom und Impulsströmen bis zu 250 A.
