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GaN: Erster Nexperia-HV-Baustein hat die Serienreife erreicht

| Redakteur: Gerd Kucera

Mit der Vorstellung des 650-V-FET GAN063-650WSA gibt Nexperia seinen Eintritt in den Markt für GaN-Leistungshalbleiter bekannt. Der Hochvolt-Baustein erreiche branchenbeste Werte.

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GAN063-650WSA: der erste GaN-HV-Baustein von Nexperia für Automotive, Kommunikationsinfrastruktur und Industrie.
GAN063-650WSA: der erste GaN-HV-Baustein von Nexperia für Automotive, Kommunikationsinfrastruktur und Industrie.
(Bild: Nexperia)

Etwa 95% aller leistungselektronischen Anwendungen basieren auf der traditionellen Silizium-Technik. Hierin ist der Silizium-IGBT das Zugpferd der Leistungselektronik. Im Verlauf der Miniaturisierung elektronischer Systeme und höherer Schaltfrequenzen näherte sich die Siliziumtechnik allmählich an physikalische Grenzen etwa hinsichtlich Leistungsdichte, Verlustleistung, Die-Temperatur und On-Widerstand.

Wide-Bandgap-Halbleiter wie SiC und GaN liefern die dringend benötigten Verbesserungen für effizientere leistungselektronische Systeme quer durch die Branchen. Wesentliche Fragen zu Aufbau- und Verbindungstechnik, Robustheit, Zuverlässigkeit, Kosten, Verfügbarkeit oder Hochvolt-Festigkeit sind generell noch nicht zufriedenstellend beantwortet. Hier forschen und entwickeln Industrie und Wissenschaft auf breitem Feld; das BMBF fördert die Aktivitäten in durch zahlreiche Programme.

Neuer Mitspieler in der Galliumnitrid-Technologie

Nexperia ist bekannt für diskrete Bipolar- und MOSFET-Bauelemente sowie Analog- und Logikbausteine. Mit der Vorstellug des GaN-Bausteins GAN063-650WSA wird offiziell auch der Eintritt in den Galliumnitrid(GaN)-FET-Markt bekannt gegeben. Es ist ein nach eigenen Angaben sehr robuster Halbleiter mit einer Gate-Source-Spannung (VGS) von ±20 V und einem Temperaturbereich von –55 bis 175 °C. Der GAN063-650WSA hat aufgrund seines niedrigen RDS(on) (bis zu 60 mΩ herunter) und hoher Schaltgeschwindigkeiten einen entsprechend hohen Wirkungsgrad.

Nexperia richtet sich bei seinem GaN-Markteinstieg auf Segmente mit Hochleistungsanwendungen aus. Dazu gehören neben Elektrofahrzeugen, Datenzentren und Telekommunikationsinfrastruktur unter anderem auch die industrielle Automation sowie High-End-Netzteile. Der laut Nexperia robuste und ausgereifte GaN-on-Silicon-Prozess garantiere bewährte Qualität und Zuverlässigkeit und ist skalierbar, weil die Wafer in vorhandenen Fertigungsanlagen hergestellt werden können. Dieses Bauelement kommt im Industriestandard TO-247 auf den Markt.

„Dies ist ein strategischer Schritt für Nexperia in den Bereich Hochspannung“ konstatiert Toni Versluijs, General Manager der MOS Business Group bei Nexperia, „wir können nun die Technik für Leistungshalbleiter zum Einsatz in Elektrofahrzeugen bereitstellen. Unsere GaN-Transistor-Technologie hat die Serienreife erreicht und ist ausreichend skalierbar, um den Anforderungen von Applikationen, die hohe Volumen benötigen, gerecht zu werden.“

Der Sektor Automotive gehört zu den wichtigsten Zielmärkten für Nexperia. Der GaN-FET GAN063-650WSA ist der erste Baustein in einem Portfolio mit GaN-Bauelementen, die speziell für die Märkte Automotive, Kommunikationsinfrastruktur und Industrie entwickelt werden.

Europas Silizium-IGBT-Forschung versus Wide-Bandgap

Silizium als Werkstoff für Halbleiter ist seit Jahrzehnten etabliert, kostengünstig, robust und zuverlässig, mit hoher Spannungsfestigkeit und beinah perfekter Kristallstruktur für eine hohe Konzentration und Beweglichkeit der Ladungsträger. Wer nun glaubt die Silizium-Grenze sei erreicht und es gäbe keine weiteren Fortschritte, der wird immer wieder überrascht.

Hierzu erforscht das europäische Koop-Projekt „Power2Power“ neue Leistungshalbleiter in Silizium und Systemarchitekturen mit höherer Energieeffizienz. Im Juni 2019 startete dazu das Projekt, in dem 43 Technologie-Partner in acht Ländern in den nächsten drei Jahren die dringlichsten Problemfelder intensiv analysieren und Lösungen erarbeiten. Dazu gehört im ersten Schritt eine neue qualifizierte Technologie für Silizium-IGBT oberhalb 1700 V, gefertigt auf 300-mm-Wafern.

Die Junction-Temperatur wird auf 200 °C spezifiziert, wodurch eine Steigerung der Leistungsdichte um 20% ermöglicht werden soll. Eine fünfzigprozentige Verlängerung der IGBT-Lebensdauer und zehnprozentige Reduktion der Verluste formulieren das Projektziel weiter. Um die nahezu äquivalente Kostensituation im Vergleich zu bestehenden Leistungsbausteinen zu erreichen, sind das Packaging und die etablierte Fertigungstechnik in Europa gleichfalls im Fokus der Forschung.

„Die Silizium-Zukunft ist glänzend und Hersteller von Siliziumkarbid-Leistungshalbleitern müssen sich warm anziehen“, weiß man an der TU Chemnitz, die an den Arbeiten zur Verbesserung von Zuverlässigkeit und Robustheit der zukünftigen Leistungselektronik im Bereich der IGBT beteiligt ist. Diese spannungsgesteuerten Transistoren sind essentiell für die Leistungselektronik etwa zur Motorregelung, in Windkraftanlagen und Elektrofahrzeugen. Die Arbeiten vieler europäischer Partnerinnen und Partner in dem Teilgebiet werden durch das Fraunhofer-Institut ENAS in Chemnitz koordiniert.

Selbstredend fördert das BMBT auch die Weiterentwicklungen zu Wide Bandgap, etwa im Rahmen der BMBF-Gemeinschaftsforschung ECSEL auf Europaebene. Dort erarbeitet beispielsweise das Programm UltimateGaN (Juni 2019 bis Mai 2022) an der Realisierung GaN-basierter Hochvolt-Bausteine.

SiCmodul, LaSic, SiCeffizient, SiCnifikant oder SiCNV heißen einige aktuelle BMBF-Förderungen zur SiC-Leistungselektronik für Automotive und Industrie. Im BMBF-Projekt SiCmodul etwa wollen Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) gemeinsam mit ihren Partnern den SiC-Leistungshalbleiter auf dem Weg zur industriellen Nutzung und zur Reichweitenerhöhung von Elektrofahrzeugen weiter optimieren.

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