Halbleitertechnologie von A bis Z

Silizium dominiert die Leistungselektronik seit Jahrzehnten, stößt aber an physikalische Grenzen: Bei hohen Sperrspannungen (Hochvolt-Transistoren) benötigt ein Si-Bauelement eine dicke, schwach dotierte Driftzone, um das elektrische Feld sicher aufzunehmen – das kostet Durchlasswiderstand und damit Verluste. Der Zusammenhang folgt direkt aus der Poisson-Gleichung: Je niedriger die kritische Durchbruchfeldstärke eines Materials, desto dicker muss die Driftzone bei gegebener Sperrspannung ausgelegt werden, und der Durchlasswiderstand wächst dabei überproportional – ungefähr mit der zweiten bis dritten Potenz der Sperrspannung. Bei Silizium wird dieser Effekt schon oberhalb einiger hundert Volt spürbar, bei einigen Kilovolt dominiert der Driftzonenwiderstand den gesamten Bauelementewiderstand fast vollständig.

Verbindungshalbleiter wie Siliziumcarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) besitzen eine deutlich höhere Durchbruchfeldstärke als Silizium – eine direkte Folge ihrer größeren Bandlücke, die stärker gebundene Elektronen und damit eine höhere Stoßionisationsschwelle bedingt. Das erlaubt dünnere, höher dotierte Driftzonen bei gleicher Sperrspannung – und dadurch spürbar geringere Durchlassverluste bei gleichzeitig kleinerer Chipfläche. In der Praxis bedeutet das: Ein SiC- oder GaN-Bauelement kann bei identischer Sperrspannung und identischem Durchlasswiderstand auf einem Bruchteil der Chipfläche eines Si-Bauelements realisiert werden, oder umgekehrt bei gleicher Fläche einen deutlich geringeren Durchlasswiderstand liefern. Dieser Materialvorteil zieht sich als roter Faden durch die gesamte Leistungselektronik-Entwicklung der letzten zwanzig Jahre und ist der eigentliche Treiber hinter dem kommerziellen Durchbruch beider Materialsysteme.

Im direkten Vergleich zeigen sich deutliche Unterschiede: Silizium hat eine Bandlücke von 1,12 eV, 4H-Siliziumcarbid liegt bei 3,26 eV und Galliumnitrid bei 3,4 eV – beide Verbindungshalbleiter sind damit klar breitbandiger und gehören zur Klasse der sogenannten Wide-Bandgap-Halbleiter (WBG). Diese größere Bandlücke wirkt sich nicht nur auf die Durchbruchfeldstärke aus, sondern erlaubt auch höhere Sperrschichttemperaturen: Während Silizium-Bauelemente typischerweise bei Sperrschichttemperaturen um 150–175 °C betrieben werden, sind bei SiC-Bauelementen 200 °C und mehr praxisüblich, da die intrinsische Ladungsträgerdichte bei gegebener Temperatur um viele Größenordnungen niedriger bleibt.

Die kritische Durchbruchfeldstärke steigt von rund 0,3 MV/cm bei Silizium auf etwa 2,8 MV/cm bei SiC und 3,3 MV/cm bei GaN. SiC punktet zusätzlich mit hoher Wärmeleitfähigkeit (etwa 4,9 W/cmK gegenüber 1,5 W/cmK bei Silizium), was die Wärmeabfuhr bei hohen Leistungen erheblich erleichtert und kompaktere Kühlkonzepte erlaubt – ein Vorteil, der bei GaN aufgrund seiner geringeren Wärmeleitfähigkeit (ca. 1,3 W/cmK) und der üblichen Heteroepitaxie auf Fremdsubstraten so nicht zur Verfügung steht. GaN wiederum erreicht eine sehr hohe Elektronensättigungsgeschwindigkeit, was besonders hohe Schaltfrequenzen ermöglicht; kombiniert mit der hohen Beweglichkeit im 2DEG-Kanal (siehe GaN-Kapitel) ergeben sich Schaltfrequenzen im MHz-Bereich, die mit Si- oder SiC-Bauelementen praktisch nicht erreichbar sind. In der Summe ergibt sich damit eine klare Arbeitsteilung: SiC dort, wo hohe Sperrspannung, hohe Leistung und gute Wärmeableitung gefragt sind, GaN dort, wo Schaltfrequenz und Baugröße im Vordergrund stehen.

Um Halbleitermaterialien für Leistungsschalter objektiv zu vergleichen, definierte B. Jayant Baliga 1989 eine Kennzahl: BFOM = εr · µ · Ec³, gebildet aus Permittivität, Ladungsträgerbeweglichkeit und der dritten Potenz der kritischen Feldstärke. Sie bewertet, wie klein der spezifische Durchlasswiderstand bei gegebener Sperrspannung theoretisch ausfallen kann, und beruht auf der bereits erwähnten Abhängigkeit des Driftzonenwiderstands von der Durchbruchfeldstärke: Da Ec in dritter Potenz eingeht, während die Beweglichkeit nur linear eingeht, dominiert bei WBG-Materialien fast ausschließlich der Feldstärkevorteil das Ergebnis.

Weil die kritische Feldstärke in dritter Potenz eingeht, wirkt sich der Materialvorteil von SiC und GaN besonders stark aus: Beide liegen bei der Baliga-Figure-of-Merit um mehr als zwei Größenordnungen über Silizium. Das bedeutet in der Konsequenz, dass ein SiC- oder GaN-Bauelement bei identischer Sperrspannung theoretisch mit einem 100- bis 300-fach geringeren spezifischen Durchlasswiderstand ausgelegt werden könnte als ein Si-Bauelement. In der Praxis wird dieses theoretische Potenzial nicht vollständig ausgeschöpft – Grenzflächendefekte, unreife Fertigungsprozesse und Packaging-Limitierungen (siehe die folgenden Kapitel) reduzieren den real erzielbaren Vorteil deutlich. Dennoch bleibt die Baliga-Figure-of-Merit bis heute die zentrale Referenzgröße, an der neue Halbleitermaterialien für die Leistungselektronik gemessen werden, und erklärt, warum die Industrie trotz höherer Substratkosten konsequent auf SiC und GaN umsteigt.

SiC spielt seine Stärken vor allem bei hohen Spannungen und Leistungen aus – etwa in Traktionswechselrichtern für die E-Mobility oder in industriellen Anwendungen wie Solarwechselrichtern, USV-Systemen und Bahnstromversorgungen, wo Sperrspannungen von 650 V bis über 10 kV und hohe Ströme gefragt sind. Die hohe Wärmeleitfähigkeit von SiC erlaubt zudem kompaktere Kühlkörper und höhere Leistungsdichten, was gerade bei Anwendungen mit begrenztem Bauraum wie im Fahrzeug ein wichtiges Auswahlkriterium ist.

GaN punktet dagegen bei hohen Schaltfrequenzen und mittleren Spannungen, etwa in Ladegeräten und Schnellladeinfrastruktur, wo kompakte Bauform und geringe Schaltverluste zählen. Da GaN-Bauelemente überwiegend lateral aufgebaut sind (siehe GaN-Kapitel) und bislang meist bis in den Bereich von 650 V bis 900 V kommerziell verfügbar sind, bleibt der Einsatzbereich typischerweise auf mittlere Spannungsklassen begrenzt – ein Bereich, in dem gerade die hohe Schaltfrequenz den größten wirtschaftlichen Hebel entfaltet, weil sich Transformatoren, Drosseln und Kondensatoren drastisch verkleinern lassen. Diese komplementäre Positionierung von SiC und GaN ist kein Zufall, sondern folgt direkt aus den unterschiedlichen Materialeigenschaften und Fertigungsrouten beider Systeme. Die folgenden Kapitel behandeln zunächst Kristallwachstum und Substrate, dann die Bauelemente beider Materialsysteme im Detail.