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GaN-Leistungsumsetzer bieten höhere Effizienz und kleinere Abmessungen : Ausgabe 03/2018, 15.02.2018

Leistungselektronik wird effizienter

Komponenten der Leistungselektronik befinden sich in zahllosen Applikationen – von Spannungsumsetzern für tragbare Elektronik bis hin zu Umrichtersystemen in der öffentlichen Energieversorgung. Die Leistungsumsetzung ist derzeit recht ineffizient. Das können GaN-Umsetzer offensichtlich verbessern.

Autor: Henning Wriedt, USA-Korrespondent

Bilder: Yuhao Zhang, MIT-Forschung

Die GaN-Leistungsumsetzer sind nunmehr im Markt verfügbar und bieten eine höhere Effizienz und kleinere Abmessungen als vergleichbare Siliziumprodukte. Aber kommerziell erhältliche Leistungsumsetzer, die auf Galliumnitrid basieren, können Spannungen nur bis maximal 600 V akzeptieren. Das beschränkt deren Applikationsbereich gewissermassen auf die Haushaltselektronik.

GaN-Leistungskomponenten vertragen bis zu 1200 V

Auf dem kürzlich stattgefundenen «IEEE – International Electron Devices Meeting» präsentierten MIT-Forscher mit Kollegen von IQE, der Columbia University, IBM und der ‹Singapore-MIT Alliance for Research and Technology› ein neues Design, das in ersten Tests zeigte, dass GaN-Leistungskomponenten Spannungen bis 1200 V vertragen. Damit eröffnen sich Möglichkeiten in Elektro­fahrzeugen, wobei die Forscher darauf hinwiesen, dass deren Bauelement in einem Labor erstellt wurde. Die Experten gehen davon aus, dass weitere Forschungsarbeit den Spannungsbereich auf 3300 bis 5000 V erweitern könnte. Das ermöglicht dann auch Applikationen in der öffent­lichen Energieversorgung.

Strom fliesst durch den Halbleiter

Der Erfolg dieses Forschungsprojektes basiert auf einem Schaltungsdesign, das sich von der vorhandenen GaN-Leistungselektronik erheblich unterscheidet. «Alle diese kommerziell erhältlichen Bauelemente sind sogenannte laterale Komponenten», sagte MIT-Professor Tomás Palacios, der unter anderem Mitglied der ‹Microsystems Technology Laboratories› ist. «Diese Bauelemente werden auf der Oberfläche eines GaN-Wafers gefertigt, was zum Beispiel gut für low-power Applikationen, wie Laptop-Ladegeräte, ist. Aber für Applikationen mittlerer und hoher Leistung sind vertikale Bauelemente erheblich besser.»

«Hier handelt es sich um Bauelemente, wo der Strom nicht durch die Oberfläche des Halbleiters, sondern durch den Wafer, also durch den Halbleiter fliesst. Vertikale Bauelemente sind hinsichtlich der maximalen Betriebsspannung und des Betriebsstroms wesentlich besser.»

Laut Palacios fliesst der Strom in die eine Oberfläche eines vertikalen Bauelementes und durch die andere wieder hinaus. Damit entsteht mehr Fläche für die Anschlüsse der Ein- und Ausgänge. Das ermöglicht höhere Ströme. Palacios: «In einem lateralen Bauelement fliesst der gesamte Strom durch ein sehr dünnes Material. Die Dicke des Materials kann nur 50 nm betragen. Damit wird in einer engen Materialregion sehr viel Hitze erzeugt.»

Gleichmässigere Wärmeableitung

«In einem vertikalen Bauelement fliesst der Strom durch den gesamten Wafer, womit die Wärmeableitung wesentlich gleichmässiger ist.» Obwohl diese Vorteile sehr gut bekannt sind, ist die Herstellung der GaN-Bauelemente schwierig.

Leistungselektronik hängt von Transistoren ab, deren Gates ein Halbleitermaterial schalten. Damit dieses Schalten effizient erfolgt, muss der durch den Halbleiter fliessende Strom auf eine relativ kleine Fläche beschränkt werden, damit das elektrische Feld des Gates seinen Einfluss ausüben kann. In der Vergangenheit versuchten Forscher vertikale Transistoren zu erstellen, die im Galliumnitrid physikalische Barrieren aufweisen, die den Strom in einen Kanal unter dem Gate leiten. Aber diese Barrieren bestehen aus einem teuren und schwierig herzustellenden Material, dessen Integration mit dem umgebenden Galliumnitrid als sehr schwierig angesehen wird. Anstatt der internen Barrieren für die Stromsteuerung benutzten Palacios und seine Kollegen schmale Bauelemente.

Gateelektrode schaltet Transistor ein- und aus

Deren vertikale GaN-Transistoren haben oben zudem blätterförmige Finnen. Auf den beiden Seiten einer jeden Finne befinden sich elektrische Kontakte, die zusammen wie ein Gate funktionieren. Der zu steuernde Strom fliesst in den Transistor durch einen weiteren Kontakt auf der Finne und verlässt das Bauelement wieder am Boden. Die Enge der Finne sorgt dafür, dass die Gateelektrode den Transistor ein- und ausschalten kann. Palacios: «Anstatt den Strom durch mehrere Materialien im Wafer einzuschränken, grenzen wir ihn ein durch den Wegfall von Material aus solchen Regionen, durch die der Strom nicht fliessen soll.» 

Infoservice

Massachusetts Institute of Technology
Cambridge, Massachusetts, USA
www.mit.edu



MIT-Postdoktorand Yuhao Zhang zeigt einen Wafer mit Hunderten von vertikalen Galliumnitrid-Leistungsbauelementen, die in den «Microsystems Technology Laboratories» gefertigt wurden


Sicherer schalten: Anstatt des komplizierten Strompfades in herkömmlichen vertikalen Transistoren experimentierten MIT-Forscher mit einem vertikalen GaN-Transistor