21.01.2016

Kann Silizium-Karbid die Erwartungen f√ľr hoch zuverl√§ssige Anwendungen erf√ľllen?

Siliziumkarbid (SiC) ist ein Material mit gro√üem Potenzial f√ľr leistungselektronische Anwendungen in hoch zuverl√§ssigen Systemen f√ľr Luft- und Raumfahrt sowie Milit√§rtechnik. Gegen√ľber herk√∂mmlichem Silizium scheint Siliziumkarbid durch h√∂here Elektronenbeweglichkeit, Hochtemperaturfestigkeit und h√∂here Durchbruchspannung ideal f√ľr Leistungsschaltkreise geeignet zu sein. Aber kann SiC diese Erwartungen erf√ľllen?



Autor: Rob Coleman, Entwicklungsmanager f√ľr 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 k√∂nnen durch epitaxisches Kristallwachstum auf einem SiC-Substrat erzeugt werden, w√§hrend GaN eine Tr√§gerschicht aus Silizium oder Saphir erfordert. Die Gleichf√∂rmigkeit von SiC erm√∂glicht Bauteile mit durchgehend h√∂chster Leitf√§higkeit sowohl f√ľr Elektronen als auch f√ľr W√§rme. Solche vertikalen Bauteile k√∂nnen hohe Leistungen f√ľhren und haben niedrige Durchgangswiderst√§nde, da sie zahlreiche parallele Tranistor- oder Diodenstrukturen bilden. Da SiC h√∂here kritische Feldst√§rken bew√§ltigen kann, sind bei vertikalen Transistoren oder Dioden deutlich schmalere Driftzonen m√∂glich als bei Silizium-Bauteilen. So k√∂nnen Durchgangswiderst√§nde und Verluste weiter gesenkt werden.



Weitere Vorteile

Prinzipiell vertragen SiC-Bauteile nicht nur wesentlich h√∂here Temperaturen als jene aus Silizium, sie tolerieren auch sehr starke Strahlung. Somit ist SiC f√ľr 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 f√ľr hoch zuverl√§ssige Anwendungen zu bestimmen. Diese Tests zeigen deutlich das F√ľr und Wider von SiC-Dioden und -Transistoren in realen Anwendungen.



Thema Alterungsbeständigkeit

Eine entscheidende Frage ist die langfristige Alterungsbest√§ndigkeit und somit die dauerhafte Zuverl√§ssigkeit von SiC unter hohen Betriebstemperaturen. Wesentliche Vorteile hochtemperatur-toleranter Bauteile sind der verminderte K√ľhlbedarf und die Einsatzm√∂glichkeiten unter extremen Bedingungen. Zur Bewertung der Leistungsf√§higkeit f√ľhrte TT Electronics Tests an einer Anzahl von Schottky-Dioden in zwei verschiedenen Geh√§usetypen durch.


Bild 2a: Langzeit-Zuverl√§ssigkeitstests ‚Äď 8.000 h bei 225 ¬įC, 1.200 V DLCC3 Diode SiC Sperr-Leckstrom


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Bild 2b: Langzeit-Zuverl√§ssigkeitstests ‚Äď 8.000 h bei 225 ¬įC, 1.200 V DLCC3 Diode SiC W√§rmewiderstandswert



Der breite Bandabstand des Basismaterials f√ľhrte am Beginn des Tests zu Leckstr√∂men unter 4¬ĶA. Im Betrieb bei einer Temperatur von 225¬įC in einem Zeitraum von 8.000 Stunden behielten die Dioden diese niedrigen Leckstr√∂me nicht nur bei, sondern senkten sie sogar w√§hrend der ersten 2.000 h um etwa 50 %. Auch der W√§rmewiderstand war √ľber die gesamte Zeit konstant niedrig. Konstrukteure gehen oft davon aus, dass SiC-Schottky-Dioden praktisch keine Erholzeiten aufweisen.


F√ľr eine leitf√§hige Verbindung ist jedoch eine gewisse Kapazit√§t erforderlich, wodurch wiederum eine gewisse Erholzeit zum Abbau √ľbersch√ľssiger Ladungen n√∂tig 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 R√ľckw√§rts-Erholzeit √ľber den gesamten Testbereich von -55 bis +225 ¬įC nahezu unabh√§ngig von der Temperatur ist.


√Ąhnliche 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 w√§hrend des gesamten Testzeitraums von 2.800 h stabil.


√Ąhnlich dem Verhalten des Leckstroms verminderte sich auch der Nullvorspannungs-Strom (Zero-Bias-Strom) nach kurzer Zeit leicht und blieb dann f√ľr den restlichen Testzeitraum stabil mit nur einem Viertel des angestrebten Maximalwerts von 400¬ĶA.



Verbesserte Bauteilstrukturen …

d√ľrften die Leistungsf√§higkeit weiter erh√∂hen. Die Herstellung von Transistoren mit Doppelgraben-Struktur ("Double Trench") hat begonnen. Sie haben Vorteile gegen√ľber herk√∂mmlichen planaren Strukturen und solchen mit Einzelgraben ("Single Trench"). Die Einzelgraben-Struktur hat in einem vertikalen Transistor geringere Durchlasswiderst√§nde als ein rein planarer Aufbau, doch der Einzelgraben f√ľhrt zur Bildung eines parasit√§ren bipolaren Transistors. In der Doppelgraben-Struktur sind Gate und Source in getrennten Gr√§ben, so dass das parasit√§re Element verschwindet. Diese Struktur vermindert au√üerdem den Durchlasswiderstand gegen√ľber dem Einzelgraben-Aufbau noch weiter und d√ľrfte durch die geringere Feldst√§rke um das Gate sogar h√∂here Zuverl√§ssigkeit erzielen.



Weitere Tests ...

untersuchten die Strahlungsfestigkeit von SiC. In Zusammenarbeit mit der Europ√§ischen 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. F√ľr Einzelst√∂rereignisse (Single-Event Upsets, SEUs) zeichnet sich ab, dass Schaltkreisentwickler m√∂gliche St√∂rwirkungen ber√ľcksichtigen m√ľssen. Hier ist das Verhalten bisher schlechter als bei herk√∂mmlichen Siliziumbauteilen, jedoch erwartet man durch verbesserte Bauteilstrukturen (Doppelgraben-Struktur) eine Verminderung der Anf√§lligkeit f√ľr Einzelst√∂rereignisse (SEUs).




Bild 3: SiC-Leistungsmodule werden zunehmend in Systemen f√ľr Luft- und Raumfahrt sowie Milit√§r eingesetzt



Einfluss des Gehäuses

Zur optimalen Nutzung der Hochtemperaturfestigkeit von SiC m√ľssen die Konstrukteure den Einfluss des Geh√§uses ber√ľcksichtigen. Nur wenige Materialien sind auf lange Sicht so hitzestabil wie der Halbleiter selbst. Tests zeigten jedoch Siliziumnitrid als geeignetes Geh√§usematerial. Aluminiumnitrid ist trotz h√∂herer W√§rmeleitf√§higkeit spr√∂de und ben√∂tigt f√ľr ausreichende mechanische Stabilit√§t eine Grundplatte. Siliziumnitrid dagegen kommt ohne Grundplatte aus und kann so die Kosten f√ľr das Geh√§use reduzieren.




Bild 4: SiC-Leistungsmodule werden z.B. f√ľr die Flugzeug-Motoren verwendet



Die Testergebnisse, denen weitere Untersuchungen folgen, haben das Vertrauen in SiC als einen entscheidenden zuk√ľnftigen Werkstoff f√ľr hocheffiziente und hoch zuverl√§ssige Leistungselektronik gest√§rkt. Durch diese Anstrengungen kann nun begonnen werden, SiC-basierte Leistungsmodule in Luft- und Raumfahrttechnik sowie Milit√§rtechnik einzusetzen, wenn Gr√∂√üe, Gewicht und Kosten f√ľr Komplettsysteme reduziert werden sollen.


 


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