Zwei Ingenieure von Littelfuse Inc. und Monolith Semiconductor Inc. haben über diese beiden Technologien einen sehr interessanten Bericht verfasst, der die technischen Fortentwicklungen dieser beiden Leistungskomponenten aufzeigt.
Der Eintritt des IGBTs in den Markt der Leistungselektronik kann durchaus als revolutionär bezeichnet werden. Der IGBT gab uns einen Transistor, der simultan hohe Spannungen blockieren kann, geringe «on-state»-Verluste aufweist und eine gute Kontrolle des Schaltens bietet. Der IGBT hat aber doch Schwierigkeiten beim schnellen Schalten, was zu hohen Schaltverlusten führt und einen relativ hohen Aufwand beim thermischen Management mit sich bringt. Beeinträchtigt ist dann auch die Effizienz der Leistungsumsetzung. Die SiC-Halbleiter mit ihren breiten Bandlücken und sehr guten Spezifikationen scheinen dagegen in der Lage zu sein, die nächste «Revolution» in der Leistungselektronik auszulösen.
MOSFET-Alternativen
Der erste SiC-Leistungstransistor (in 2008) erschien in der Form eines 1200-V-JFETs. Der BJT (Bipolar Junction Transistor) zeigte zu der Zeit einige substanzielle Nachteile, während der JFET (Junction Field Effect Transistor) ein normalerweise durchgeschaltetes Bauelement ist, was von den Entwicklungs- und Sicherheitsexperten nicht gerne gesehen wird. Normalerweise eigneten sich «off»-JFETs nicht für eine Serienproduktion. USCi offeriert derzeit «on»-SiC-JFETs, die mit Silizium-MOSFETs in Kaskadenschaltung kombiniert werden. Nach Ansicht der Autoren ist die optimale Lösung für SiC-Leistungskomponenten immer noch der MOSFET und zwar aufgrund seiner sehr guten Performance und der Ähnlichkeit mit der Ansteuerung des Silizium-IGBTs. In nur zwei Jahren konnte die Qualität von kommerziell erhältlichen 1200-V-SiC-MOSFETs sehr verbessert werden. Die Kanalmobilität ist nunmehr ausreichend gut; das gilt auch für die Lebenszeit des Oxids. Die Schwellenspannungen wurden immer stabiler. Was vom kommerziellen Standpunkt her ebenso wichtig ist, dass diese Meilensteine von mehreren Herstellern erreicht wurden.
Die Autoren weisen unter anderem darauf hin, dass Forscher vom «National Institute of Standards and Technology» (NIST) mit der beschleunigten TDDB-Technik (Time-Dependent Dielectric Breakdown) voraussagten, dass die Oxid-Lebenszeit der MOS-Technologie von Monolith Semiconductor 100 Jahre übertreffen kann – und das bei Sperrschichttemperaturen von mehr als 200 °C. Weitere Parameter werden ausführlich beschrieben.
Kommerzielle Aspekte
Neben den Verbesserungen der Qualität konnte man in den vergangenen Jahren auch Fortschritte im kommerziellen Markt verzeichnen. Mehrere Anbieter von SiC-MOSFETs befriedigen auch den Wunsch der Kunden nach einem Zweitanbieter. Kommerziell verfügbare Bauelemente wurden von Wolfspeed, Rohm, ST Microelectronics und Microsemi vorgestellt; man kann auch bald Angebote von Littelfuse und weiteren Herstellern erwarten. Multichip-Leistungsmodule sind ebenfalls für einige Hersteller eine interessante Angebotserweiterung. Nach Ansicht der Autoren könnte zudem ein grösseres Interesse an SiC-MOSFET in diskreten Gehäusen bestehen, die einen Leistungsbereich von bis zu mehreren 10 kW abdecken würden.
Ein letzter wichtiger Punkt ist die Preisgestaltung. Nach Meinung der Autoren ist bei der Fertigung von SiC-MOSFET der besondere Vorteil die Ausnutzung vorhandener Silizium-CMOS-Produktionsanlagen, wodurch Kapitalinvestitionen weitgehend wegfallen und sich die Betriebskosten optimieren lassen – zum Vorteil der Kunden. Hinzu kommt, dass ein Umstieg von 100-mm-Wafern auf 150-mm-Wafer die Chipanzahl mehr als verdoppelt, was sich natürlich besonders auf die Per-Die-Kosten auswirkt.
Bericht «State of the SiC MOSFET»: 1-2_18.01.pdf
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