Autor
Richardson RFPD
Energiespeicherung und Energieumwandlung
WBG Semiconductors
Während Silizium eine einzelne chemische Substanz ist, ist Siliziumkarbid eine Verbindung von Kohlenstoff mit Silizium. Galliumnitrid ist eine Verbindung von Gallium mit Stickstoff. Aus diesem Grund werden die aus diesen Komponenten hergestellten Halbleiter auch als "Verbindungshalbleiter" bezeichnet.
SiC und GaN fallen in die Kategorie der WBG-Halbleiter und bieten mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen Silizium-Halbleitern.
Elektrofahrzeuge, erneuerbare Energiesysteme und die nächste Generation der Unterhaltungselektronik stoßen an die Grenzen des Machbaren, so dass Materialien mit großer Bandlücke in den Mittelpunkt rücken werden.
Vorteile von WBG-Halbleitern
Silizium war viele Jahre lang vorherrschend, stößt aber bei einer wachsenden Zahl bestehender und neuer Anwendungen an seine Leistungsgrenzen. SiC und GaN bieten wichtige Vorteile in Bezug auf Zuverlässigkeit, Energieeffizienz, Leistungsdichte, Systemgröße und Kostenreduzierung. Dank dieser Vorteile haben SiC und GaN das Potenzial, modernste elektronische und optische Bauelemente zu ermöglichen, die im Vergleich zu Silizium eine weitaus höhere Leistung aufweisen.
Da WBG-Halbleiter höheren elektrischen Feldern standhalten können, sind sie in der Lage, höhere Spannungen auszuhalten. Sie können auch mit höheren Schaltfrequenzen arbeiten, was die Leistung verbessert, die Anforderungen an die Filterung minimiert und die Verwendung kleinerer zugehöriger Induktions- und Kondensatorkomponenten ermöglicht.
Im Vergleich zu Silizium bringen diese Faktoren mehrere Vorteile mit sich, darunter kleiner, schneller, effizienter und zuverlässiger Betrieb. Höhere Spannungen eröffnen Möglichkeiten für Designs mit höherem Stromverbrauch und drastisch verbessertem Wirkungsgrad, die dieselbe Leistung in kleineren Formfaktoren ermöglichen - oder eine verbesserte Leistung im selben Formfaktor. Der Wirkungsgrad ist umgekehrt proportional zum Gewicht und letztlich auch zu den Kohlenstoffemissionen, die mit dem Betrieb der Zielanwendung verbunden sind.
Viele Geräte, die auf WBG-Technologien basieren, bieten auch den Vorteil, dass sie bei höheren Höchsttemperaturen betrieben werden können als ihre herkömmlichen Silizium-Gegenstücke.
SiC vs. GaN: Ein Vergleich
Im Vergleich zu Silizium, das eine Bandlücke von 1,12 eV (Elektronenvolt) aufweist, haben GaN und SiC Bandlücken, die mit 3,4 eV bzw. 3,2 eV etwa dreimal so groß sind. Dies bedeutet, dass beide Materialien höhere Spannungen bei dünneren Chips unterstützen können, was zu einer höheren Schaltfrequenz beiträgt. Darüber hinaus gibt es mehrere Unterschiede in den Materialeigenschaften der beiden Technologien, die sich auf ihre Funktionsweise und ihren Einsatzbereich auswirken. Die wichtigsten Unterschiede lassen sich wie folgt zusammenfassen:
Elektronenbeweglichkeit: Der wichtigste Unterschied zwischen GaN und SiC ist die Elektronenbeweglichkeit. Dies ist ein Maß dafür, wie schnell sich Elektronen durch das Halbleitermaterial bewegen können. Während Silizium eine Elektronenbeweglichkeit von 1500 cm2/Vs aufweist, hat GaN eine Elektronenbeweglichkeit von 2000 cm2/Vs, was bedeutet, dass sich die Elektronen über 30 % schneller bewegen können als die Elektronen in Silizium. SiC hingegen hat eine Elektronenbeweglichkeit von 700 cm2/Vs, was bedeutet, dass sich die Elektronen von SiC langsamer bewegen als die von GaN und Silizium. Mit einer so hohen Elektronenbeweglichkeit ist GaN fast dreimal besser für Hochfrequenzanwendungen geeignet.
Durchschlagsfeldstärke: GaN und SiC haben ähnliche Durchbruchfeldstärken - 3,3 MV/cm für GaN und 3,5 MV/cm für SiC. Silizium hat eine Durchbruchfeldstärke von 0,3 MV/cm, was bedeutet, dass GaN und SiC fast zehnmal mehr in der Lage sind, höhere Spannungen pro Einheit der Chipdicke zu halten. Sie sind auch in der Lage, niedrigere Spannungen mit deutlich kleineren und dünneren Bauelementen aufrechtzuerhalten.
Wärmeleitfähigkeit: Die Wärmeleitfähigkeit eines Materials ist seine Fähigkeit, Wärme zu übertragen. Die Wärmeleitfähigkeit hat einen direkten Einfluss auf den Temperaturanstieg des Materials während seiner Verwendung. Bei Hochleistungsanwendungen erzeugen ineffiziente Materialien Wärme, wodurch die Temperatur des Materials ansteigt und sich in der Folge seine elektrischen Eigenschaften ändern. GaN hat eine Wärmeleitfähigkeit von 1,3 W/cmK, die schlechter ist als die von Silizium mit 1,5 W/cmK.
SiC hat eine Wärmeleitfähigkeit von 5 W/cmK und ist damit mehr als dreimal besser in der Lage, Wärmelasten zu übertragen. Dies verschafft SiC einen Vorteil bei Hochleistungs- und Hochtemperaturanwendungen, die nicht immer Hochfrequenzschaltungen erfordern, aber einen Betrieb mit höherer Spannung und eine verbesserte Wärmeableitung. Beispiele hierfür sind Elektrofahrzeuge, einige Solarenergie-Designs, Bahnantriebe, Windturbinen, Netzverteilung sowie industrielle und medizinische Bildgebung.
Die wichtigsten Eigenschaften von GaN und SiC sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
Parameter | Symbol | Einheit | Si | SiC | GaN | Bandlücke | Ec | eV | 1.12 | 3.2 | 3.43 |
|---|---|---|---|---|---|
Relative Dielektrizitätskonstante | εs | - | 11.9 | 10 | 9.5 |
Mobilität der Elektronen | μn | cm2/(V.s) | 1500 | 700 | 2000 |
Spitzengeschwindigkeit der Elektronen | vSpitze | 107> - cm/s | 1 | 2 | 2.5 |
Kritisches elektrisches Feld | Ec | MV/cm | 0.3 | 3.0 | 3.3 |
Tabelle 1: Die wichtigsten Merkmale von SiC- und GaN-Halbleitern
SiC & GaN: Anwendungsbeispiele
WBG-Bauteile sind ideal für Leistungsanwendungen, werden aber in vielen Bereichen sehr unterschiedlich eingesetzt. Im Allgemeinen wird SiC für Anwendungen mit höherer Spannung und höherer Leistung verwendet, während GaN sich durch niedrigere Spannungen, höhere Frequenzen und Anwendungen auszeichnet, bei denen ein hoher Wirkungsgrad ein vorrangiges Entwicklungsziel ist. Anwendungsbeispiele für SiC-Bauelemente sind:
Elektrofahrzeuge und Schnellladegeräte/berührungslose Energieübertragung: Der Ersatz eines Silizium-Bauelements, das in Wechselrichtern verwendet wird, durch ein verlustarmes SiC-Bauelement ermöglicht einen hocheffizienten und leichteren Wechselrichter, erhöht die Reichweite von Elektrofahrzeugen und verringert die Belastung der Batterie. SiC-Bauelemente mit hoher Spannungsfestigkeit und Hochfrequenzbetrieb sind optimal für Schnellladegeräte für Elektrofahrzeuge mit kontaktloser Energieübertragung.
Wechselrichter für erneuerbare Energien (Solar- und Windenergie): In Solar- und Windenergiesystemen können SiC-Wechselrichter bei höherer Leistung die Energieausbeute maximieren, indem sie die Leistungsverluste minimieren. Ein weiterer Faktor, der Solarhersteller und -ingenieure ermutigt, SiC gegenüber anderen Materialien zu bevorzugen, ist seine Langlebigkeit und Zuverlässigkeit. Dank der Zuverlässigkeit von Siliziumkarbid können Solarenergiesysteme die stabile Langlebigkeit erreichen, die sie für einen kontinuierlichen Betrieb über ein Jahrzehnt benötigen. Es ist auch erwähnenswert, dass GaN-Bauelemente in kleineren Solarwechselrichtern eingesetzt werden, insbesondere in den "Mikro-Wechselrichtern" pro Panel, bei denen der Wirkungsgrad sehr wichtig ist.
Industrielle Motorantriebe: SiC bietet Motorumrichter mit verbessertem Wirkungsgrad, kleineren Abmessungen und besserem thermischen Verhalten, wodurch der Motorantrieb lokal oder am Motor selbst platziert werden kann. Der Wirkungsgrad von SiC und seine Fähigkeit, hohe Leistungen zu verarbeiten, verbessern die Leistung von Industriemotoren in Fabriken und Industrieanlagen.
Hochspannungs-Stromversorgungen: SiC-Transistoren sind für den Aufbau effizienter und kompakter Hochspannungsnetzteile von entscheidender Bedeutung.
Während SiC im Hochleistungsbereich dominiert, zeichnet sich GaN bei niedrigeren Leistungsstufen (einige Kilowatt) aus. GaN-Transistoren bieten geringere Leitungsverluste und geringere Schaltenergieverluste, was zu einem höheren Wirkungsgrad und einem geringeren Systemformfaktor führt. Einige Anwendungsbeispiele sind:
DC-DC-Wandler (Spannungsregler): Die Effizienzverbesserungen von GaN machen es ideal für Spannungsregler in verschiedenen elektronischen Geräten.
USB-PD-Netzteile: Diese Geräte müssen in der Lage sein, schnell zu laden und mehrere Spannungen zu liefern, um den Anschluss an verschiedene Geräte zu ermöglichen. Sie müssen außerdem so kompakt wie möglich sein, um tragbar zu sein. GaN-Bauteile wie Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMTs) erfüllen diese Anforderungen, da sie Hochspannungsbauteile sind, die im MHz-Bereich schalten können und gleichzeitig einen hohen Wirkungsgrad aufweisen.
Radarsysteme: Die hohe Leistungsdichte von GaN-Bauelementen ermöglicht die Entwicklung kompakterer und leichterer Systeme und bietet gleichzeitig größere Erfassungsbereiche und eine höhere Auflösung.
5G- und 6G-Kommunikationstürme: Die schnellere Geschwindigkeit und höhere Leistungsdichte von GaN machen es zur idealen Lösung für Mikrowellenanwendungen, insbesondere in 5G- und 6G-Netzen. Die wichtigsten Alternativen, Silizium-Lateral-Diffused-MOS-Bauteile (LDMOS), sind zwar kostengünstiger, bieten aber eine geringere Leistung. Bei Frequenzen von 4 GHz und darüber hat GaN kaum Konkurrenz.
Drahtlose Hochgeschwindigkeitskommunikation: Bauelemente auf GaN-Basis können aufgrund ihrer hohen Durchbruchsspannung und ihrer hohen Elektronenbeweglichkeit im Terahertz-Frequenzbereich arbeiten und könnten so zu Schlüsseltechnologien für die drahtlose Ultrahochgeschwindigkeitskommunikation der nächsten Generation werden
.
Optoelektronik: GaN ist das Kernmaterial für blaue LEDs und Laser, die die Grundlage für Displaytechnologien und optische Speicher bilden, während weiße LEDs auf GaN-Basis den Grundstein für moderne energiesparende Festkörperbeleuchtungslösungen bilden.
Ein qualitativer Vergleich zwischen diesen beiden WBG-Halbleitern ist in Tabelle 2 zusammengefasst.
Merkmal | SiC | GaN | Spannung | Hoch (über 650 V) | Mittel (bis zu 650 V) |
|---|---|---|
Strom | Mittel bis Hoch | Niedrig bis mittel |
Temperaturtoleranz | Hoch | Mäßig |
Frequenz | Mäßig | Hoch |
Systemgröße | Größere | Kleiner |
Kosten | Unter | Höher |
Typische Anwendungen | Stromnetze, EV-Wechselrichter, Motoren | RF-Geräte, Hochgeschwindigkeits-Stromversorgungen, kompakte Designs |
Tabelle 2: Ein qualitativer Vergleich zwischen SiC und GaN
Auswirkungen auf die Umwelt
Da die Industrie zunehmend Wert auf Nachhaltigkeit und Umweltverantwortung legt, wird die Bewertung der Umweltauswirkungen von Materialien wie SiC und GaN immer wichtiger.
SiC weist mehrere Umweltvorteile auf, die vor allem auf seine Langlebigkeit und Effizienz zurückzuführen sind. Seine hohe Leitfähigkeit und die geringeren Schaltverluste bei hohen Spannungen verringern die Energieverluste in der Leistungselektronik, was zu einer verbesserten Energieeffizienz und geringeren Treibhausgasemissionen führt. Die Robustheit und Zuverlässigkeit von SiC tragen zu einer längeren Produktlebensdauer bei und verringern den Elektronikabfall.
Darüber hinaus gilt SiC als relativ häufig vorkommendes Material, für dessen Herstellung reichlich Silizium und Kohlenstoff zur Verfügung stehen, was die Sorge um die Erschöpfung der Ressourcen verringert. Was die Entsorgung angeht, so ist SiC aufgrund seiner chemischen Stabilität inert und ungiftig, so dass es am Ende seiner Lebensdauer nur minimale Umweltrisiken birgt.
GaN bietet Umweltvorteile vor allem durch seine Energieeffizienz und seine Hochleistungseigenschaften. Der niedrige Durchlasswiderstand und die schnellen Schaltgeschwindigkeiten führen zu geringeren Leistungsverlusten, was in verschiedenen, oben bereits erwähnten Anwendungen zu einem niedrigeren Energieverbrauch und geringeren Kohlenstoffemissionen führt.
Die Bedenken hinsichtlich der Umweltauswirkungen von GaN beziehen sich in erster Linie auf die Beschaffung von Gallium, einem relativ seltenen Element, das im Bergbau gewonnen wird. Laufende Bemühungen zur Verbesserung der Galliumgewinnungstechniken und zur Erforschung alternativer Quellen zielen jedoch darauf ab, diese Bedenken zu zerstreuen und eine nachhaltige GaN-Produktion zu gewährleisten.
Obwohl SiC und GaN im Vergleich zu herkömmlichen Halbleitermaterialien erhebliche Umweltvorteile bieten, sind laufende Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen unerlässlich, um ihre Nachhaltigkeitsprofile weiter zu optimieren.
Kosten & Lieferkette
Eines der Hauptprobleme bei der Beschaffung von GaN und SiC sind ihre im Vergleich zu Silizium relativ hohen Kosten. GaN und SiC sind teurer, was in erster Linie auf die Komplexität ihrer Wachstums- und Geräteherstellungsprozesse zurückzuführen ist. Das für hochwertige GaN- und SiC-Schichten erforderliche Epitaxiewachstum erfordert beispielsweise fortschrittliche Techniken, die teurer und weniger ausgereift sind als die für Silizium verwendeten.
Außerdem ist die Verfügbarkeit von Wafern mit großem Durchmesser begrenzt, was die Kosten in die Höhe treibt und die Skalierbarkeit des Herstellungsprozesses beeinträchtigt. Diese Kostenbarriere kann einige Branchen, insbesondere solche, die mit geringen Gewinnspannen arbeiten, davon abhalten, diese fortschrittlichen Halbleiter einzuführen.
Die Lieferkette und die Qualitätskontrolle stellen zusätzliche Herausforderungen dar. Da die GaN- und SiC-Fertigung noch in den Kinderschuhen steckt, können nur wenige Zulieferer durchgängig hochwertige Materialien herstellen. Dies kann zu Engpässen und längeren Vorlaufzeiten führen.
Außerdem erfordert die Gewährleistung der Zuverlässigkeit und Beständigkeit der Geräte strenge Qualitätskontrollen.
Die Industrie macht jedoch erhebliche Fortschritte bei der Bewältigung dieser Herausforderungen. Durch Fortschritte bei der Massenproduktion, dem Epitaxiewachstum und der Herstellung von Bauelementen werden die Kosten stetig gesenkt und die Qualität der GaN- und SiC-Bauelemente verbessert. Darüber hinaus wird erwartet, dass sich der Preisunterschied zu Silizium verringert, da Skaleneffekte erzielt werden, was zu einer noch größeren Verbreitung von Halbleitern mit großem Bandabstand führen wird.
WBG: Die Zukunft der Elektronik
Die Wahl zwischen SiC und GaN hängt von den spezifischen Anforderungen einer Anwendung ab. Während SiC die ideale Lösung für Anwendungen mit hohen Spannungen und hoher Leistung ist, zeichnet sich GaN durch hohe Frequenzen und Effizienz aus. Ein Systementwickler muss bei seiner Entscheidung Faktoren wie Nennspannung, Leistungsanforderungen, Frequenzbereich, Temperaturtoleranz und Budget berücksichtigen. Wenn das Projekt außerdem leicht verfügbare Komponenten und etablierte Entwurfspraktiken erfordert, könnte SiC die praktischere Wahl sein.
Unabhängig davon, welches Material gewählt wird, stellen sowohl SiC als auch GaN die Zukunft der Leistungselektronik dar. EVs, erneuerbare Energiesysteme und die nächste Generation der Unterhaltungselektronik stoßen an die Grenzen des Machbaren, so dass Materialien mit großer Bandlücke in den Mittelpunkt rücken werden.
