Was sind GaN-Leistungsbauelemente?
GaN-Leistungsbauelemente sind Halbleiter-Leistungsbauelemente der nächsten Generation, die auf Galliumnitridkristallen basieren.
Aufgrund ihrer Struktur waren GaN-Leistungsbauelemente in Bezug auf Zuverlässigkeit und Sicherheit eine Herausforderung für ihre praktische Anwendung im Vergleich zu siliziumbasierten Leistungsgeräten. Die jüngsten Innovationen im Bereich der Verbindungshalbleitertechnologien lösen diese Probleme jedoch.
Der hohe Wirkungsgrad von GaN-Leistungsbauelementen ermöglicht auch eine Vereinfachung des Wärmeabfuhrmechanismus usw., was zu deutlich kleineren Produkten und geringerem Stromverbrauch beiträgt.
Anwendungen von GaN-Leistungsbauelementen
GaN-Leistungsbauelemente werden häufig in Ladegeräten eingesetzt, die das schnelle Aufladen von Smartphones und Computern ermöglichen, sowie in Verstärkern für Mobilfunk-Basisstationen. Da sie mehr Leistung aufnehmen können als Silizium-basierte Stromversorgungsgeräte, werden sie häufig in PC-Ladegeräten und Verstärkern für Basisstationen als Ersatzanwendungen eingesetzt.
Hocheffiziente GaN-Leistungsbauelemente werden auch zunehmend in Leistungsaufbereitern für photovoltaische Stromerzeugungssysteme und andere Anwendungen eingesetzt, die eine extrem hohe Umwandlungseffizienz erfordern. Da auch ein Hochgeschwindigkeits-Schaltbetrieb möglich ist, werden GaN-Leistungsbauelemente auch als Schaltnetzteile z. B. in Servergeräten eingesetzt, wo eine stabile Stromversorgung erforderlich ist.
Funktionsweise der GaN-Leistungsbauelemente
Die Funktionsweise von GaN-Leistungsbauelementen beruht auf der Tatsache, dass die als Bandlücke bekannte Halbleitereigenschaft von GaN etwa dreimal so hoch ist wie die von Si, was es zu einem Bauelement macht, das hohen elektrischen Feldern standhalten kann und somit eine extrem hohe Betriebsleistungsdichte pro Flächeneinheit des Bauelements gewährleistet.
GaN-Leistungsbauelemente bestehen in der Regel aus einer Transistorschaltung mit hoher Elektronenbeweglichkeit, einer so genannten HEMT-Struktur. Die HEMT-Struktur ist normalerweise eingeschaltet, so dass immer Strom fließt, und wird durch Anlegen einer negativen Spannung an das Gate ausgeschaltet. Wenn also aufgrund eines Problems keine negative Spannung an die Gate-Elektrode angelegt werden kann, kann sie nicht ausgeschaltet werden und wird sehr instabil.
GaN-Leistungsbauelemente haben solche Zuverlässigkeitsprobleme, und die Verwirklichung eines stabilen Normal-AUS-Zustands war unter dem Gesichtspunkt der Benutzerfreundlichkeit eine Herausforderung. Daher wird der normalerweise ausgeschaltete Zustand durch den Einbau von normalerweise ausgeschalteten Si-MOSFETs in die Gate-Elektrode erreicht.
Eine weitere Herausforderung ist das physikalische Phänomen, das als Stromkollaps bekannt ist. Dabei handelt es sich um ein Phänomen, bei dem der EIN-Widerstand zunimmt und eine Stromkonzentration während des Hochspannungsschaltens auftritt, was auf Defekte im GaN-Kristallherstellungsprozess zurückzuführen ist. GaN-Leistungsbauelemente erfordern die Bildung von GaN-Schichten auf Si- und SiC-Wafern, und dank der Innovationen in der Kristall-Dünnschichtabscheidungstechnologie ist eine qualitativ hochwertige Abscheidung nun möglich. Dank der Innovationen in der kristallinen Dünnschichttechnologie ist nun jedoch eine qualitativ hochwertige Abscheidung möglich.
Weitere Informationen zu GaN-Leistungsbauelementen
1. Segregation zwischen GaN und SiC
GaN und SiC haben aufgrund ihrer großen Bandlücke eine hohe dielektrische Durchschlagsfestigkeit, wodurch sich die Durchschlagsspannung der Geräte leicht erhöhen lässt. Dadurch sind sie für Hochstrom- und Hochspannungsanwendungen geeignet. Insbesondere SiC wird aufgrund seiner Durchbruchspannung häufig in Hochstromanwendungen wie Elektrofahrzeugen, Stromerzeugungssystemen und anderen motorgetriebenen Anwendungen eingesetzt, und es wird erwartet, dass SiC in naher Zukunft die IGBTs ersetzen wird.
GaN-Leistungsbauelemente hingegen haben zwar nicht die gleiche Durchbruchspannung wie SiC, werden aber häufig in Anwendungen eingesetzt, die hohe Schaltgeschwindigkeiten und hohe Frequenzen erfordern, da sie eine besonders hohe Grenzfrequenz (fT) haben, was auf Hochfrequenzeigenschaften hinweist, und die hohe Elektronenbeweglichkeit nutzen können.
Mit anderen Worten, GaN und SiC werden unterteilt in GaN-Bauteile für Hochgeschwindigkeits-Schaltladungen und Hochfrequenzanwendungen für 5G-Basisstationen und SiC-Bauteile für höhere Spannungsfestigkeit und höhere Ströme.
2. Trends bei GaN-basierten Leistungshalbleitern
GaN-Leistungshalbleiter können heute in zwei Hauptkategorien unterteilt werden: solche, die auf das Laden von Elektrofahrzeugen bei relativ hohen 650 V und darüber abzielen, und Anwendungen, die auf die Spannungsumwandlung in DC-DC-Wandlern von 48 V auf 12 V in Hybrid-Elektrofahrzeugen abzielen. Bei beiden handelt es sich um GaN-Leistungsbauelemente, die neben den SiC-Bauelementen den Markt für WBG-Bauelemente (Wide Bandgap) in Zukunft antreiben dürften.
Die Herausforderungen für die Kommerzialisierung dieser neuen Anwendungen liegen in der Zuverlässigkeit, den Fertigungserträgen und den Kosten, aber dank der Bemühungen von Halbleiterunternehmen in aller Welt macht das Potenzial für die Kommerzialisierung große Fortschritte.
3. Anwendungen von GaN-Leistungsbauelementen
Weitere Anwendungsbereiche für GaN-Leistungsbauelemente sind Lichtquellen: Da GaN ein direkter Übergangshalbleiter unter den Verbindungshalbleitern ist, gibt es hohe Erwartungen an GaN als Material für LED-Lichtquellen und Laserdioden mit hoher Lichtausbeute.
Als elektronisches Bauelement wird es voraussichtlich auch für Hochleistungs- und Hochfrequenz-Verstärkertransistoren für Millimeterwellen- und Sub-THz-Anwendungen verwendet werden.