21.01.2016

Kann Silizium-Karbid die Erwartungen für hoch zuverlässige Anwendungen erfüllen?

Siliziumkarbid (SiC) ist ein Material mit großem Potenzial für leistungselektronische Anwendungen in hoch zuverlässigen Systemen für Luft- und Raumfahrt sowie Militärtechnik. Gegenüber herkömmlichem Silizium scheint Siliziumkarbid durch höhere Elektronenbeweglichkeit, Hochtemperaturfestigkeit und höhere Durchbruchspannung ideal für Leistungsschaltkreise geeignet zu sein. Aber kann SiC diese Erwartungen erfüllen?



Autor: Rob Coleman, Entwicklungsmanager für Power- und Hybridanwendungen, TT Electronics


Ein Vorteil von SiC als Halbleitermaterial ist der größere Bandabstand im Vergleich zu normalem Silizium. Der größere Bandabstand sowie die höhere kritische Feldstärke gestatten höhere Betriebsspannungen bei geringeren Leckströmen. Galliumnitrid ist eine Alternative mit ebenfalls großem Bandabstand und hoher Beweglichkeit - und verspricht entscheidende Vorteile in der Hochfrequenzelektronik. Doch in der Leistungselektronik bietet SiC den Vorteil, Bauteilstrukturen ähnlich denen von MOSFETs aus Silizium zu ermöglichen.




Bild 1. Gehäusedarstellung - die SiC-Technologie ermöglicht eine Gewichts- und Platzersparnis



SiC-Leistungskomponenten können durch epitaxisches Kristallwachstum auf einem SiC-Substrat erzeugt werden, während GaN eine Trägerschicht aus Silizium oder Saphir erfordert. Die Gleichförmigkeit von SiC ermöglicht Bauteile mit durchgehend höchster Leitfähigkeit sowohl für Elektronen als auch für Wärme. Solche vertikalen Bauteile können hohe Leistungen führen und haben niedrige Durchgangswiderstände, da sie zahlreiche parallele Tranistor- oder Diodenstrukturen bilden. Da SiC höhere kritische Feldstärken bewältigen kann, sind bei vertikalen Transistoren oder Dioden deutlich schmalere Driftzonen möglich als bei Silizium-Bauteilen. So können Durchgangswiderstände und Verluste weiter gesenkt werden.



Weitere Vorteile

Prinzipiell vertragen SiC-Bauteile nicht nur wesentlich höhere Temperaturen als jene aus Silizium, sie tolerieren auch sehr starke Strahlung. Somit ist SiC für Raumfahrt-Anwendungen geeignet. Obwohl die Untersuchung der elektronischen Eigenschaften von SiC vor mehr als einem Jahrhundert begann, kommt es bisher noch selten als Fertigungswerkstoff zum Einsatz. TT Electronics hat umfangreiche Forschungen betrieben, um das Potenzial und die Eignung für hoch zuverlässige Anwendungen zu bestimmen. Diese Tests zeigen deutlich das Für und Wider von SiC-Dioden und -Transistoren in realen Anwendungen.



Thema Alterungsbeständigkeit

Eine entscheidende Frage ist die langfristige Alterungsbeständigkeit und somit die dauerhafte Zuverlässigkeit von SiC unter hohen Betriebstemperaturen. Wesentliche Vorteile hochtemperatur-toleranter Bauteile sind der verminderte Kühlbedarf und die Einsatzmöglichkeiten unter extremen Bedingungen. Zur Bewertung der Leistungsfähigkeit führte TT Electronics Tests an einer Anzahl von Schottky-Dioden in zwei verschiedenen Gehäusetypen durch.


Bild 2a: Langzeit-Zuverlässigkeitstests – 8.000 h bei 225 °C, 1.200 V DLCC3 Diode SiC Sperr-Leckstrom


Bild 2b: Langzeit-Zuverlässigkeitstests – 8.000 h bei 225 °C, 1.200 V DLCC3 Diode SiC Wärmewiderstandswert



Der breite Bandabstand des Basismaterials führte am Beginn des Tests zu Leckströmen unter 4µA. Im Betrieb bei einer Temperatur von 225°C in einem Zeitraum von 8.000 Stunden behielten die Dioden diese niedrigen Leckströme nicht nur bei, sondern senkten sie sogar während der ersten 2.000 h um etwa 50 %. Auch der Wärmewiderstand war über die gesamte Zeit konstant niedrig. Konstrukteure gehen oft davon aus, dass SiC-Schottky-Dioden praktisch keine Erholzeiten aufweisen.


Für eine leitfähige Verbindung ist jedoch eine gewisse Kapazität erforderlich, wodurch wiederum eine gewisse Erholzeit zum Abbau überschüssiger Ladungen nötig wird. Diese Zeit ist bei SiC-Dioden jedoch nur etwa ein Drittel so lang wie bei Siliziumdioden. Somit versprechen SiC-Dioden Effizienzgewinne bei Hochgeschwindigkeits-Schaltanwendungen. Zudem zeigte sich, dass die Rückwärts-Erholzeit über den gesamten Testbereich von -55 bis +225 °C nahezu unabhängig von der Temperatur ist.


Ähnliche Ergebnisse erzielte man bei Tests der verbreiteten Kombination eines MOSFET von hoher Durchbruchspannung mit einer antiparallelen Diode - eine sinnvolle Anordnung zum Optimieren des Schaltverhaltens in Motorsteuerungen und Leistungswandlern. Die Durchbruchspannung blieb sicher oberhalb des Zielwerts von 1.200V und auch der Durchgangswiderstand war während des gesamten Testzeitraums von 2.800 h stabil.


Ähnlich dem Verhalten des Leckstroms verminderte sich auch der Nullvorspannungs-Strom (Zero-Bias-Strom) nach kurzer Zeit leicht und blieb dann für den restlichen Testzeitraum stabil mit nur einem Viertel des angestrebten Maximalwerts von 400µA.



Verbesserte Bauteilstrukturen …

dürften die Leistungsfähigkeit weiter erhöhen. Die Herstellung von Transistoren mit Doppelgraben-Struktur ("Double Trench") hat begonnen. Sie haben Vorteile gegenüber herkömmlichen planaren Strukturen und solchen mit Einzelgraben ("Single Trench"). Die Einzelgraben-Struktur hat in einem vertikalen Transistor geringere Durchlasswiderstände als ein rein planarer Aufbau, doch der Einzelgraben führt zur Bildung eines parasitären bipolaren Transistors. In der Doppelgraben-Struktur sind Gate und Source in getrennten Gräben, so dass das parasitäre Element verschwindet. Diese Struktur vermindert außerdem den Durchlasswiderstand gegenüber dem Einzelgraben-Aufbau noch weiter und dürfte durch die geringere Feldstärke um das Gate sogar höhere Zuverlässigkeit erzielen.



Weitere Tests ...

untersuchten die Strahlungsfestigkeit von SiC. In Zusammenarbeit mit der Europäischen Raumfahrtagentur ESA und der japanischen Luft- und Raumfahrtorganisation JAXA zeigten Tests von TT Electronics ein herausragendes Gesamtstrahlungsverhalten von SiC. Die Minimalanforderung von 100 Krad wurde erreicht, und das Potenzial zur Optimierung der Strahlungsfestigkeit ist vorhanden. Für Einzelstörereignisse (Single-Event Upsets, SEUs) zeichnet sich ab, dass Schaltkreisentwickler mögliche Störwirkungen berücksichtigen müssen. Hier ist das Verhalten bisher schlechter als bei herkömmlichen Siliziumbauteilen, jedoch erwartet man durch verbesserte Bauteilstrukturen (Doppelgraben-Struktur) eine Verminderung der Anfälligkeit für Einzelstörereignisse (SEUs).




Bild 3: SiC-Leistungsmodule werden zunehmend in Systemen für Luft- und Raumfahrt sowie Militär eingesetzt



Einfluss des Gehäuses

Zur optimalen Nutzung der Hochtemperaturfestigkeit von SiC müssen die Konstrukteure den Einfluss des Gehäuses berücksichtigen. Nur wenige Materialien sind auf lange Sicht so hitzestabil wie der Halbleiter selbst. Tests zeigten jedoch Siliziumnitrid als geeignetes Gehäusematerial. Aluminiumnitrid ist trotz höherer Wärmeleitfähigkeit spröde und benötigt für ausreichende mechanische Stabilität eine Grundplatte. Siliziumnitrid dagegen kommt ohne Grundplatte aus und kann so die Kosten für das Gehäuse reduzieren.




Bild 4: SiC-Leistungsmodule werden z.B. für die Flugzeug-Motoren verwendet



Die Testergebnisse, denen weitere Untersuchungen folgen, haben das Vertrauen in SiC als einen entscheidenden zukünftigen Werkstoff für hocheffiziente und hoch zuverlässige Leistungselektronik gestärkt. Durch diese Anstrengungen kann nun begonnen werden, SiC-basierte Leistungsmodule in Luft- und Raumfahrttechnik sowie Militärtechnik einzusetzen, wenn Größe, Gewicht und Kosten für Komplettsysteme reduziert werden sollen.


 


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