X-GaN 2.0: Das Ziel FiT10 ist nachweislich erreicht

Optimierte Zuverlässigkeit und Robustheit für die Gate-Steuerung, neue Funktionen und einiges mehr kennzeichnen die aktuelle Weiterentwicklung der X-GaN Power Devices.

Seit weit über drei Jahrzehnten werden bei der Konstruktion von Stromrichtern im niedrigen bis mittleren Leistungsbereich hauptsächlich Leistungs-MOSFETs verwendet. Dies wird durch kontinuierliche Innovationen bei den Bauteilstrukturen und zugehörigen Halbleitertechnologien unterstützt. Schnelles Schaltverhalten und geringe Verluste sowie eine einfache Nutzung in zahlreichen Schaltkreistopologien haben ebenfalls zu ihrem Erfolg beigetragen.

Zum Beginn des neuen Jahrtausends erreichten siliziumbasierte Leistungs-MOSFETs jedoch ihre theoretische Leistungsgrenze, d.h. weitere Fortschritte bei Netzteilen und Energiemanagementsystemen werden mit diesen Schaltelementen nicht mehr so leicht zu erzielen sein. Aktuelle Trends bei der Entwicklung von Netzteilen konzentrieren sich auf höhere Wirkungsgrade und Leistungsdichten jenseits siliziumbasierter MOSFET-Technologien. Entwicklungsingenieure benötigen neue Schalter, die diesen hohen Anforderungen gerecht werden. Und so begann die Konzeption von Galliumnitrid (GaN)-Transistoren.

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Technologieübersicht und die Vorteile von GaN

Hybride Drain-Gate-Injektions-Transistoren (HD-GITs) von Panasonic sind GaN-Transistoren auf Siliziumwafer-Basis, die im Ruhezustand sperren. Sie basieren auf dem HEMT-Prinzip und nutzen hoch mobiles 2D-Elektronengas, das sich an einem AlGaN-GaN-Heteroübergang als leitende Schicht bildet. Der aktive Teil des Transistors endet an der Oberseite mit (ohmschen) Drain- und Source-Kontakten, einem vertieften p-GaN-Gate (ohmscher Kontakt) und einer Gate-ähnlichen p-GaN-Struktur, die mit dem Drain verbunden ist. Der Transistor wird im MOCVD-Verfahren auf 6-Zoll-Siliziumwafer aufgebracht. Um Zugspannungen durch versetzte Si- und GaN-Kristallgitter zu reduzieren, die vertikalen Drain-Substrat-Leckströme zu begrenzen und tiefe Durchbruchpfade im leitenden Si-Substrat zu verhindern, wird eine Kristallgitter-Pufferschicht zwischen dem Silizium-Bulk-Material und der aktiven Oberseite des Transistors eingefügt.

Dieser Puffer spielt eine zentrale Rolle bei der Bestimmung der wichtigsten Zuverlässigkeitsmerkmale der Transistoren. Auf diesen Punkt wird im Artikelverlauf näher eingegangen. Der Transistor wird durch Anlegen einer Spannung zwischen Gate und Source oberhalb bzw. unterhalb einer Schwellenspannung wie ein Feldeffekttransistor in Sperr- oder Durchlassrichtung geschaltet. Im Sperrzustand stößt das p-GaN-Gate das darunterliegende Elektronengas ab, indem es das Potenzial der AlGaN-GaN-Sperrschicht anhebt.

Im Durchlasszustand verhält sich das Gate im Wesentlichen wie eine Diode. Im Gegensatz zu MOS-Transistoren wird jedoch ein kleiner Strom (etwa 10 mA) vom Gate in die leitenden Schichten injiziert, indem Elektronen durch die AlGaN-Sperrschicht getunnelt werden. Aufgrund der geringen Beweglichkeit der Löcher im GaN-Material entsteht die Stromleitung in der AlGaN-GaN-Grenzschicht nur durch das Elektronengas, daher sind die Transistoren in dieser Hinsicht im Wesentlichen als unipolare Bauteile zu begreifen.

Da das HD-GiT-Gate direkt zugänglich ist, kann der Gate-Schaltkreis für die Steuerung von du/dt und di/dt des Transistors ausgelegt werden – was einen wesentlichen Vorteil im Vergleich zu Kaskoden darstellt. Die laterale Struktur des GiT ist zudem vorteilhaft für schnelles Schalten, da seine parasitären Kapazitäten in der Regel niedriger als die von vertikalen Halbleiter-Strukturen sind, beispielsweise von Superjunction-MOSFETs auf Siliziumbasis.

Das Prinzip der Steuerung über das Gate

X-GaN-GiT-Transistoren ermöglichen den Stromfluss in umgekehrter Richtung, wenn die Potenziale von Source, Gate und Drain so eingestellt sind, dass der Strom über das Gate zugeführt wird. Im Gegensatz zu MOSFETs fließt der Strom in Rückwärtsrichtung hier nicht durch eine parasitäre Diode, sondern wird durch den Kanal geleitet. Obwohl sie an eine Diode erinnern, werden die Schwellen im dritten Quadranten der IV-Ortskurve nicht durch das Verhalten der Sperrschicht bestimmt, sondern sind schlichtweg die Summe aus Schwellenspannung des Transistors plus einer eventuellen negativen Bias, die an das Gate gelegt wird.

Wie der MOSFET lässt sich der GiT in umgekehrter Richtung durchlassend schalten, um Verluste durch einen Betrieb unterhalb der 0-V-Offset-Bedingung weiter zu reduzieren. Der GiT erholt sich extrem schnell von der Leitung in umgekehrter Richtung. Die rückgewonnene Energie entspricht praktisch genau der Energie, die zum Laden der Ausgangskapazität erforderlich ist. Die Leitungs- und Erholungsleistung des GiT im umgekehrten Modus entsprechen denen einer SiC-Schottky-Diode (Bild 1).

Robustheit und Vermeidung des Current-Collapse

Current-Collapse und Einfangen von Elektronen: Werden keine speziellen technischen Gegenmaßnahmen ergriffen, kommt es bei GaN-GiT-Transistoren zu Problemen mit eingefangenen Elektronen. In der Regel geht es bei diesen Effekten um die Entstehung negativ geladener Bereiche in den Transistoren. Zurückzuführen ist dies auf das Einfangen von Elektronen in Defekten des Kristalls und/oder der Oberfläche von Schichten. In der Folge kommt es zu einer nicht optimalen Verteilung des elektrischen Felds im Transistor und zu einer Störung des Stroms von Ladungsträgern im 2D-Gas.

In GiT scheint das Einfangen vorrangig zwei Effekte zu haben, die potenziell verschiedene Zerstörungsmechanismen zur Folge haben. Erstens entstehen sogenannte "deep holetraps" in den Schichten zwischen Drain & Substrat bei hoher Drain-Source-Spannung. Zweitens werden heiße Elektroden unter harten Schaltbedingungen im halbdurchlässigen Zustand durch die AIGaN-Schicht getunnelt und bleiben auf den Oberflächen gefangen.

Die erste Folge: Wenn eine Drain-Source-Spannung oberhalb einer bestimmten Schwelle (abhängig von den Eigenschaften des Bauteils (etwas über 500 V bei den hier beschriebenen Transistoren) angelegt wird, dann kollabiert der Strom, d.h. aus Sicht der Anwendung kommt es zu einem Anstieg des Rds(on) des Transistors von Schaltzyklus zu Schaltzyklus bis ein Sättigungswert erreicht ist. Dieser Effekt, der auch als dynamischer Rds(on) bezeichnet wird, führt in der Regel zur schnellen Zerstörung des Transistors durch thermisches Versagen.

Die zweite Folge: Die unter harten Schaltbedingungen im „halbdurchlässigen“ Zustand in der Oberfläche der AlGaN-Schicht gefangenen heißen Elektronen lösen vermutlich eine positive zerstörende Feedback-Schleife aus, die aufgrund der gefangenen Ladungen zu einer Verstärkung des elektrischen Felds auf der Drain-Seite führt. In der Folge kommt es zum Einfangen weiterer Elektronen in der AlGaN-Oberfläche, wodurch es zu einer weiteren Verstärkung des elektrischen Felds kommt, bis das Bauteil schließlich versagt.

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