»Zuverlässigkeit, Einschaltwiderstand und Skalierbarkeit sprechen für das SiC-JFET«
Infineon kündigt für 2012 neuen Meilenstein der Superjunction-Technologie an
Stromversorgungsentwickler dürfen gespannt sein: Für 2012 kündigt Infineon ein weiteres Highlight der SuperJunction-Technologie an. Aktive SiC-Schalter ermöglichen in Zukunft neue Topologien, und aus Sicht von Infineon sprechen drei Gründe klar für den Einsatz für SiC-JFETs.
Dr. Gerald Deboy, Senior Principal für Power Management & Supply Discretes des Bereichs Power Semiconductors and System Engineering bei Infineon Technologies, im Interview:
Markt&Technik: Stromversorgungslösungen stellen eine der häufigsten Applikationen für Leistungshalbleiter auf dem deutschen und europäischen Markt dar. Welche Besonderheiten dieser Applikation sind bei der Entwicklung von MOSFETs und IGBTs zu beachten?
Dr. Gerald Deboy: Ziel der Entwicklung ist es, Leistungshalbleiter herzustellen, die einen sehr hohen Wirkungsgrad in der Anwendung erzielen, gleichzeitig eine Steigerung der Packungsdichte erlauben und relativ einfach zu handhaben sind. Darüber hinaus müssen Robustheitsanforderungen wie Überstromfähigkeit und Avalanche-Festigkeit sowie eine gute Kontrollierbarkeit des Schalters gewährleistet sein.
Infineon hat mit der Entwicklung der CoolMOS-Familien ein neues Marktsegment für Leistungs-MOSFETs eröffnet. Mit welchen weiteren Verbesserungen können Anwender bei der Vorstellung der nächsten CoolMOS-Generation, vielleicht 2012, rechnen?
Wir werden als Pionier in der Superjunction-Technologie im kommenden Jahr eine Produktfamilie herausbringen, die einen neuen Meilenstein in puncto Einschaltwiderstand pro Fläche bzw. Gehäuse in der 600-V/650-V-Spannungsklasse setzt. Die neue Produktfamilie wird Packungsdichten und schaltbare Leistungen pro Gehäuse erzielen, die mit heutigen Bauelementen nicht erreichbar sind.
Bislang stellen 600 V so etwas wie eine natürliche Grenze zwischen MOSFET- und IGBT-Applikationen dar. Wird sich an dieser Trennlinie nach Ihrer Einschätzung in Zukunft etwas verändern?
Unser Produktportfolio der CoolMOS-Familie umfasst heute bereits die Spannungsklassen von 800 V und 900 V. Mit neuen Applikationen wie Solarumrichtern sehen wir einen steigenden Bedarf für Bauelemente mit ohmscher Charakteristik jenseits der etablierten 600V-Ebene.
Welche Bedeutung haben heute SiC-Dioden, -MOSFETs und -JFETs für Stromversorgungsanwendungen? Wo liegen die Optimierungsmöglichkeiten, um die preisliche Attraktivität von SiC- gegenüber herkömmlichen Silizium-Lösungen zu erhöhen?
SiC-Dioden sind heute bereits fest im Markt etabliert; sie werden vorwiegend als Hochsetzstellerdiode in der Power-Factor-Correction eingesetzt. Mit aktiven Schaltern auf SiC können bidirektionale Schaltnetzteile oder Topologien realisiert werden, welche die eingesetzten Schalter alternierend in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung nutzen. Damit ergeben sich neue Optimierungspotentiale hinsichtlich einer Reduktion passiver Bauelemente, die mit heutigen Bauelementen nicht erreichbar sind. Ein Beispiel hierfür ist die sogenannte Totem-Pole-Brücke, die eine PFC-Stufe ohne Brückengleichrichter mit nur einer magnetischen Drossel erlaubt.
Ihr Unternehmen setzt auf den SiC-JFET. Was spricht aus Ihrer Sicht für die SiC-JFET-Variante? Beschneidet diese Festlegung nicht den Zugriff auf ein größeres Marktsegment?
Infineon hat sich aus drei Gründen für das JFET-Konzept entschieden: An erster Stelle steht für uns das Thema Zuverlässigkeit. Ein JFET besitzt kein Gate-Oxid, das aufgrund der Defektdichten in SiC immer als problematisch einzustufen ist. Der JFET-Aufbau kann dagegen strukturell auf die SiC-Schottkydiode zurückgeführt werden, die wir seit vielen Jahren mit extrem hoher Qualität produzieren. Ein zweiter Aspekt ist der erzielbare Einschaltwiderstand pro Fläche. Aufgrund der sehr geringen Oberflächenbeweglichkeit der Elektronen erzeugt ein MOS-Kanal einen signifikanten zusätzlichen Beitrag zum Einschaltwiderstand. Dies vergrößert die benötigte Chipfläche für einen gegebenen Einschaltwiderstand und verteuert das Produkt. Ein dritter Aspekt ist die Skalierbarkeit des Konzepts für verschiedene Spannungsklassen. Aufgrund des negativen Temperaturkoeffizienten der Einsatzspannung des MOS-Kanals ergibt sich bei Bauelementen unterhalb der 1200-V-Spannungsklasse ein in Summe negativer Temperaturkoeffizient des Bauteils, der keine Parallelschaltung mehr zulässt.
Sie setzen sich auch mit GaN auseinander. Tendieren Sie bei diesem Material eher zu einer Transistorlösung oder zu einem ähnlich integrierten »Schalter-Ansatz«, wie ihn International Rectifier verfolgt?
Wir sehen das Potential von GaN nicht in einer rein diskreten Lösung, sondern in einer Kombination von einem oder mehreren Schaltern zusammen mit passenden Treibern in einem System-on-Chip oder System-in-Package-Ansatz.
Haben GaN-Lösungen in Ihren Augen das Potenzial, sich wesentlich schneller am Markt zu etablieren, als das bei SiC der Fall war? Sehen Sie GaN vor allem als Wettbewerber zu MOSFETs, oder auch für den IGBT-Bereich?
GaN auf Siliziumträger hat ein enormes Potential in der Performance und der erreichbaren Kostenposition. Das Materialsystem ist jedoch aufgrund Gitterfehlanpassung stark verspannt und weist darüber hinaus noch eine Reihe weiterer materialspezifischer Herausforderungen auf. Wir gehen daher davon aus, dass bis zu einer breiten Markteinführung der Technologie noch für einige Jahre massiver Aufwand in Forschung und Entwicklung erforderlich sein werden, um die heute üblichen Robustheits- und Qualitätsanforderungen erfüllen zu können. GaN-Bauelemente werden neue Lösungen ermöglichen, die die von den heute verfügbaren Bauelementen abgedeckten Anwendungen komplementär ergänzen.
Welche Wide-Bandgap-Materialien, mit denen sich heute die Forschung beschäftigt, haben nach Ihrer Einschätzung realistische Chancen auf einen Serieneinsatz, oder ist das Spektrum mit SiC und GaN ausgeschöpft?
Wir sehen SiC und GaN als aussichtsreichste Kandidaten für einen Serieneinsatz.
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