Application Manual Power Semiconductors - Deutsche ... - Semikron

2 Grundlagen
Durch komplexere Technologien, kleinere Halbleiterstrukturen und exakte Beherrschung der Prozesse
nähern sich heute die Eigenschaften moderner Leistungshalbleiter unaufhaltsam den physikalischen
Grenzen des Halbleitermaterials Silizium. Deshalb wurden die bereits in den 50er
Jahren begonnenen Forschungen an alternativen Materialien in den letzten Jahren forciert und
haben inzwischen erste Großserienprodukte hervorgebracht.
Im Mittelpunkt der Entwicklung stehen heute die „wide bandgap materials“ Siliziumkarbid (SiC)
und Galliumnitrid (GaN), die gegenüber Silizium einen deutlich höheren energetischen Abstand
zwischen Valenz- und Leitungsband aufweisen, woraus vergleichweise niedrigere Durchlass- und
Schaltverluste, höhere mögliche Chiptemperaturen und eine gegenüber Silizium bessere Wärmeleitfähigkeit
resultieren.
Tabelle 2.1.1 enthält quantitative Angaben zu den wichtigsten Materialkenngrößen [2], Bild 2.1.4
zeigt die Konsequenzen auf die Materialeigenschaften.
Parameter Si 4H-SiC GaN
Bandgap Energie E g
eV 1,12 3,26 3,39
Eigenleitungsdichte n i
cm - ³ 1,4*10 -10 8,2*10 -9 1,9*10 -10
Durchbruchfeldstärke E c
MV/cm 0,23 2,2 3,3
Elektronenbeweglichkeit µ n
cm²/Vs 1400 950 1500
Driftgeschwindigkeit n sat
cm/s 10 7 2,7*10 7 2,5*10 7
Dielektrizitätskonstante e r
- 11,8 9,7 9,0
Wärmeleitfähigkeit l W/cmK 1,5 3,8 1,3
Tabelle 2.1.1 Eigenschaften von Halbleitermaterialien mit weitem Bandabstand im Vergleich zu Silizium
Determines
temperature limit for
device operation
Bandgap
100.0
10.0
Determines heat
dissipation characteristic
in power design
Relates to device´s
carrier transported
switching speed
Thermal
Conductivity
Saturation
Velocity
4H-SiC
GaN
1.0
0.1
Si
Dielectric
Constant
Breakdown
Electric Field
Determines BV vs.
Specific Ron trade-off
for devices design
Bild 2.1.4 Konsequenzen unterschiedlicher physikalischer Parameter von Halbleitermaterialien [3]
Schlüsselfaktor einer breiteren Einführung von SiC ist heute jedoch die kosteneffiziente Herstellbarkeit
entsprechender einkristalliner Chips mit ausreichender Materialqualität ohne Kristalldegradationen
(Micropipes), auch in den für die Leistungselektronik optimalen Wafergrößen. Während
Si heute auf 8“ Wafern zu Kosten von 0,10 €/cm² fast defektfrei hergestellt wird, liegt die Defektdichte
bei SiC Wafern mit nur 4“ Durchmesser eine Größenordnung höher, was die Kosten im Vergleich
zu Si vervielfacht. GaN mit gegenüber SiC etwas schlechteren Eigenschaften wurde bisher
16