GaN-Leistungsbauelemente

Wächst man eine dünne AlGaN-Schicht auf GaN, entsteht an der Grenzfläche durch spontane und piezoelektrische Polarisation ein extrem dünnes, hochbewegliches Elektronengas – das zweidimensionale Elektronengas (2DEG). Beide Polarisationsanteile addieren sich bei der üblichen Ga-polaren Wachstumsrichtung: Die spontane Polarisation entsteht durch die fehlende Inversionssymmetrie der Wurtzit-Kristallstruktur, die piezoelektrische Polarisation zusätzlich durch die mechanische Verspannung der dünnen AlGaN-Schicht auf dem darunterliegenden GaN. Die resultierende Polarisationsladung an der Grenzfläche zieht freie Elektronen an, die sich in einem nur wenige Nanometer dünnen Kanal direkt unterhalb der Grenzfläche sammeln.

Anders als beim Si-MOSFET braucht dieser leitfähige Kanal keine Dotierung: Er entsteht rein durch die Polarisationsladung an der AlGaN/GaN-Heterogrenzfläche und erreicht Elektronenbeweglichkeiten, die deutlich über denen von dotiertem Volumenmaterial liegen, weil die Elektronen im 2DEG räumlich von den ionisierten Störstellen getrennt sind, an denen sie sonst gestreut würden (ein Effekt, der als Modulationsdotierung bekannt ist und auch in III-V-HEMTs für die HF-Technik genutzt wird). Typische Flächenladungsträgerdichten liegen im Bereich von 1×10¹³ cm⁻², bei Beweglichkeiten von mehreren tausend cm²/Vs. Diese Struktur ist die Basis des HEMT (High Electron Mobility Transistor) und ermöglicht die im nächsten Absatz beschriebene extrem schnelle Schaltfähigkeit von GaN-Leistungstransistoren.

Eine Gate-Elektrode auf der AlGaN-Barriere steuert das 2DEG darunter: Legt man eine ausreichend negative Gate-Spannung an, verarmt der Kanal lokal unter dem Gate und der Transistor sperrt. Diese rein elektrostatische Steuerung des Kanals über das Gate-Feld unterscheidet sich fundamental vom Schaltmechanismus eines bipolaren Bauelements: Es müssen keine Ladungsträger injiziert oder ausgeräumt werden, sondern lediglich die vorhandene 2DEG-Ladung lokal verdrängt bzw. wiederhergestellt werden, was auf einer Zeitskala von wenigen Nanosekunden geschieht.

Da kein pn-Übergang und kein gespeicherter Minoritätsträger involviert ist, schaltet der GaN-HEMT extrem schnell und nahezu verlustfrei – ideal für hochfrequente Schaltnetzteile und Schnelllader, wo die Schaltverluste bei Si- oder selbst SiC-Bauelementen zunehmend limitierend wirken. In der Praxis erreichen kommerzielle GaN-HEMTs Schaltflanken im Bereich weniger Nanosekunden und ermöglichen damit Schaltfrequenzen im hohen kHz- bis MHz-Bereich, wo Si- und SiC-Bauelemente aufgrund ihrer höheren Schaltverluste und – bei SiC-MOSFETs – der zusätzlichen Gate-Ladung praktisch nicht mehr wirtschaftlich betrieben werden können. Diese hohe Schaltfrequenz erlaubt es wiederum, passive Bauteile wie Speicherdrosseln und Filterkondensatoren drastisch zu verkleinern, was den entscheidenden Systemvorteil von GaN in kompakten Anwendungen wie Ladegeräten ausmacht (siehe Anwendungskapitel).