Annons

Konkurrenter inom brett bandgap – GaN eller SiC?

Under en paneldebatt på kiselkarbidkonferensen ISICPEAW, International SiC Power Electronics Applications Workshop, möttes förespråkare för halvledarkomponenter i kiselkarbid, SiC, och galliumnitrid, GaN. Philippe Rouselle från Yole Développement ledde debatten där Paul Kiersted, Cree, Uwe Jansen, Infineon och Hans-Joachim Würfl, Ferdinand Braun Institute deltog.

 

Hans-Joachim Würfl, Ferdinand Braun Institute inledde med att påpeka att för en given spänning är galliumnitrid 760 gånger bättre än kisel, enligt ”Johnsons figure of merit” (~Vbr2 × Vsat), att jämföra med kiselkarbid (med 6H-struktur) som är bara 260 gånger bättre än kisel. Jämförelsen gjordes ur materialsynpunkt för att visa potentialen för galliumnitrid. Några andra egenskaper framgår av tabell 1.
Vad Hans-Joachim Würfl framför allt tryckte på var att GaN-transistorer har potential att ge ännu lägre resistans, RonA(Ohm cm2) för en given spänning än vad kiselkarbiden kan ge. Hittills har GaN närmat sig gränsen för vad SiC mäktar med i försök, men ännu inte överträffat SiC.
När det gäller kostnad för GaN-komponenter menar Hans-Joachim Würfl att dessa bara kan bli lönsamma på substrat av andra ämnen. Substrat av Si-SiC ger bästa prestanda, medan GaN på Si-substrat blir mest kostnadseffektivt. Men att lägga GaN på Si är inte enkelt på grund av att gitterkonstanten skiljer med en faktor 17 mellan GaN och Si, att jämföra med en faktor 3,1 för SiC. Det ställer mycket stora krav på en process för ett utjämningsskikt mellan GaN och Si. Här kommer frågan om eventuell nedbrytning av materialet och om man kan garantera tillförlitlighet.


– Det viktigaste är lägre systemkostnader. F ör spänningar över 600 V står SiC som vinnare, hävdar Paul Kiersted, Cree.

SiC leder värme bäst, 2,7 gånger bättre än Si.
Hans-Joachim Würfl menar att GaN kan lyckas på marknaden om prestanda närmar sig state-of-the-art för SiC-komponenter och om priserna kan hamna närmare dem för Si-komponenter.
I en graf visad han just detta. Han förutspår att att vi skall kunna få se GaN-komponenter för spänningar upp till 1000 V till priser något överstigande motsvarande Si-komponenter, men med SiC-prestanda.

Brett bandgap
Uwe Jansen, Infineon, inledde med att slå ett slag för brett bandgap.
– De utgör en nyckelkomponent för att behålla teknologiskt ledarskap. Men det är relationen kostnad/prestanda som avgörande för om dessa teknologier kommer in i en viss applikation.
Fördelarna med halvledare med brett bandgap är enligt Uwe Jansen ”ultrahög verkningsgrad” och högsta effektdensitet. Han anser att halvledare med brett bandgap ger draghjälp åt IGBT i kisel och SiC-dioder, men också att helt nya lösningar blir möjliga, t ex nya topologier för avbrottsfri kraft med ultrahög arbetsfrekvens.
– Försäljningen av komponenter med brett bandgap kommer proportionellt sett att öka snabbare än för marknaden generellt, men kiselkomponenter kommer att behålla sin ledande position under ganska lång tid.


Största konkurrens mellan GaN och SiC väntas ligga i 600 V-regionen, med GaN HEMT, SiC FET och Si-SJ-MOSFET som konkurrenter, sade Uwe Jansen, Infineon.

I en jämförselse mellan GaN och SiC slår Uwe Jansen fast att:
* Alla dagens GaN är laterala (2D) medan alla dagens SiC-komponenter är vertikala, likt typiska Si-komponenter.
* GaN måste läggas på kiselsubstrat för att vara kommersiellt intressanta. Det innebär risk för missanpassning mellan gitterkonstanter (som ger dislokationer), termisk missanpassning (som kan ge sprickor) och komplexa epi-strukturer. I fallet SiC-komponenter läggs SiC på SiC-substrat vilket ger enkla och skalbara epitaxiprocesser.
* De kommersiella epi-wafers (6”) som finns för GaN kostar alltför mycket. Kostnaderna för SiC-wafers har minskat med 70 procent under de senaste tio åren.
* Än så länge finns det bara GaN-komponenter för lägre spänningar (ca 200 V) och för lägre strömmar. Däremot har det funnits SiC-komponenter på marknaden sedan 2001. Idag finns det SiC-komponenter för 1700 V och 30 A.
* Erfarenheterna på fält av GaN-komponenter är begränsade. För SiC-komponenter rapporteras felfrekvenser i storleksordningen <10 ppb.
Uwe Jansen tror på följande utveckling:
* Största konkurrens mellan GaN och SiC väntas ligga i 600 V-regionen, med GaN HEMT, SiC FET och Si-SJ-MOSFET som konkurrenter.
* I området mellan 60 och 300 V är en konkurens mellan HEMT i GaN på Si-substrat och Si MOS-teknologi trolig.
En nyckelapareter för GaN på Si-substrat är utformningen av epi-lagret. Varje spelare kommer att ha sina egna ”recept” för det.
SiC VJFET och GaN HEMT är båda av typen ”normally on”. Kaskodkopplade lösningar passar bara för högre spänningar. Och frågan är om GaN-effektmoduler kommer att tas fram.

Lägre systemkostnader
– Det viktigaste är lägre systemkostnader, sade Paul Kierstead, Cree, i sin plädering.
Cree introducerade sina dioder i kiselkarbid 2002. Sedan dess har man levererat 350 miljarder SiC-dioder.


Hans-Joachim Würfl, Ferdinand Braun Institute, menar att GaN kan lyckas på marknaden om prestanda närmar sig state-of-the-art för SiC-komponenter och om priserna kan hamna närmare dem för Si-komponenter.

– Cree utvecklar även komponenter i GaN, men enbart för radiofrekvenser. För spänningar över 600 V är SiC vinnare!
Men Paul Kierstead tror ändå att det kommer att bli en fight mellan GaN och SiC inom spänningsområdet 600 till 1200 V.
Det fördelar han vill lyfta fram med kiselkarbid som material är:
* 10 gånger högre genombrottsfält än för Si och högre effektdensitet per komponent.
* 3 gånger högre termisk konduktivitet än för Si, vilket tillåter högre strömdensitet.
* 3 gånger större bandgap än Si, vilket möjliggör högre drifttemperaturer.
* Lägre systemkostnader.
Paul Kierstead visade den dramatiska prissänkning som skett, från företagets först lanserade komponenter till dagens: 80 procent prisminskning av 600 V och 1200 V Schottkydioder och kring 40 procent för  MOSFET, efter bara år. Priserna förväntas sjunka ytterligare. På frågan om han inte ser någon möjligget för GaN för högre spänningar var svaret att detta kräver tjockare epi-lager vilket leder till dislokationer.
Gunnar Lilliesköld

Comments are closed.