Physikalische Eigenschaften von GaN vs. SiC

SiC und GaN adressieren unterschiedliche Sektoren. GaN ist ein oft überlegener Ersatz für Si-Superjunction-MOSFETs in den ~600-V-Segmenten (Netzschalter / Gleichrichter). Als Beispiel konnte man von Googles Little Box Challenge aus dem Jahr 2015 lesen, die von Teams mit GaN-Technologie dominiert wurde. SiC eignet sich am besten für höhere Versorgungsspannungen, die GaN (noch?) Nicht adressieren kann. Ich glaube, SiC zeichnet sich aufgrund seiner thermischen Eigenschaften bei sehr hohen Leistungen aus, z. B. als Lokomotive, und ersetzt IGBTs und in gewissem Maße Tyristoren.

SiC sind MOSFET oder JFET mit SiC statt Si. Diese Transistoren sind traditionellem Si ziemlich ähnlich, haben aber in vielerlei Hinsicht bessere Eigenschaften. Ich hoffe, dass dieses Bild von Mitsubishi Electric den wesentlichen Vorteil der Verwendung eines Materials mit breiterer Bandlücke richtig einfängt:

Sie können nämlich die Dicke der Driftschicht verringern, da das elektrische Durchschlagsfeld größer ist. Das führt zu einem geringeren Widerstand pro Bauteilfläche. Dies wiederum ermöglicht es Ihnen, den Transistor für eine bestimmte Leistung seitlich kleiner zu machen, wodurch die Gate-Kapazität für die gleiche Leistung verringert wird. Dies wiederum ermöglicht eine höhere Frequenz oder einen höheren Wirkungsgrad. Ein weiterer Vorteil sind die geringeren Parasiten bei der Rückwärtswiederherstellung für SiC, aber ich weiß nicht warum.

GaN-Transistoren sind wesentlich anders, da sie normalerweise HEMTs und keine MOSFETs sind. Trotzdem werden sie mit einer Gate-Spannung angesteuert. Ihre Gate-Ladung ist bei gleicher Leistung sehr niedrig, was sehr hohe Frequenzen zulässt und dennoch ziemlich hohe Durchbruchspannungen bietet, wenn auch nicht so hoch wie bei SiC. Sie leiten auch in Rückwärtsrichtung und ahmen den Body-Dioden-Aspekt herkömmlicher MOSFETs mit drei Anschlüssen nach, haben jedoch keine Sperrverzögerung, da der Rückwärts- und der Vorwärtsleitungspfad identisch sind.

Grafiken wie diese zeigen, dass die theoretische Gütezahl für SiC besser ist als für Si und noch besser für GaN. Aber ich weiß nicht genau, wie das berechnet wird. Vermutlich ist die Logik die gleiche wie im Bild oben. Eine höhere Durchbruchspannung ermöglicht es Ihnen, die Driftdicke zu reduzieren. Berücksichtigen Sie den Widerstand der Driftschicht und Sie können eine solche Gütezahl berechnen. Aber das überspringt auch andere wichtige Metriken wie Reverse Recovery und Gerätetyp. Beispielsweise gilt das gesamte Argument der Driftschicht nicht wirklich für HEMTs. Diese Grafik scheint darauf hinzuweisen, dass entweder GaN noch lange nicht ausgereift ist oder dass ein HEMT einem MOSFET für Leistungsschalter unterlegen ist, falls das Material beides zulässt.

Bei der Auswahl von Mosfets für die Leistungselektronik ist es schwer zu sagen, welche „Massen“-Materialeigenschaften in Eigenschaften umgesetzt werden, die Ingenieuren wichtig sind, da es nicht nur um die Materialeigenschaften geht, sondern auch darum, wie der Mosfet aufgebaut ist.

Quelle: https://spectrum.ieee.org/semiconductors/materials/gallium-oxide-power-electronics-cool-new-flavor

GaN hat in fast jeder Kategorie ähnliche Eigenschaften wie SiC, aber SiC hat eine bessere Wärmeleitfähigkeit. Eine bessere Wärmeleitfähigkeit könnte es Geräten ermöglichen, mehr Leistung zu verarbeiten, da die Wärme besser abgeführt werden kann.

Ob dies zu besseren Geräten mit einem Material über dem anderen führt, bleibt abzuwarten, letztendlich kümmern sich Designer um Spezifikationen wie rdson und Gate-Kapazität (wie schnell Sie das Gerät umschalten können). Diese Spezifikationen werden durch das Material bestimmt, aber hauptsächlich durch Design und Konstruktion. Es wäre sinnvoller, die Spezifikationen von Geräten zu vergleichen als Materialfamilien.

Der vielleicht offensichtlichste Unterschied besteht darin, dass GaN ein Halbleiter mit direkter Bandlücke ist, während SiC über eine indirekte Bandlücke verfügt. GaN wird daher in lichtbezogenen Anwendungen wie LEDs bevorzugt.

GaN-Geräte erreichen oft höhere Schaltfrequenzen im Vergleich zu SiC, was im Fall von SMPS kleinere Induktivitäten/Kondensatoren bei gleicher Leistung bedeutet. Ich habe Mühe, diese Tatsache mit physikalischen Eigenschaften in Verbindung zu bringen, es könnte sich jedoch um eine rein technologische Einschränkung handeln, die für zukünftige Generationen von SiC/GaN-Geräten nicht mehr gelten könnte.

Ich möchte auch auf die Unterschiede in den beiden letzten Zeilen Ihrer Tabelle hinweisen: Doping und thermische Oxidation. GaN ist problematisch mit p-Typ-Dotierstoffen (mehr Defekte, weniger Ausbeute), daher sieht man selten GaN-Dioden oder p-Kanal-FETs. Auch die thermische Oxidation scheint problematisch zu sein, was den Einsatz von GaN in komplexen Multilayer-Chips einschränkt. GaN ist also keineswegs „besser“ als SiC, jedes Material hat seine eigenen Stärken und Schwächen.

Es gibt einen guten Artikel in der Ausgabe April 2021 von IEEE Spectrum ( https://spectrum.ieee.org/semiconductors/materials/gallium-oxide-power-electronics-cool-new-flavor ), der dieses Problem behandelt, wenn auch im Kontext von Galliumoxid-Halbleitern. Folgendes habe ich aus diesem Artikel entnommen (beachten Sie, dass ich kein Gerätephysiker bin).

Die meisten Vorteile von Materialien wie GaN und Galliumoxid ergeben sich aus ihren höheren Bandlückenspannungen, 1,12 V für Si und 3,5 V für GaN. Dadurch können sie höheren Spannungen als Si standhalten (daher ihre Nützlichkeit in Schaltnetzteilen und als HF-Verstärker). Die höhere Bandlückenspannung ermöglicht auch kleinere Bauteilgeometrien (wie Kanallänge) mit der gleichen angelegten Spannung wie bei Si, was bedeutet, dass höhere Geschwindigkeiten und Frequenzen möglich sind.