Technologie

Zuverlässig und kostengünstig

Mit der GaAs-Technologie lassen sich vergleichbare Ergebnisse wie mit SiC und GaN:Si erzielen, aber zu deutlich niedriger Bauteilkosten.

Mit der einmaligen und umfassend patentierten GaAs-Technologie für hohe Spannungen zwischen 600V bis 1700V und Stromstärken bis zu 100A pro Chip können PIN-, Schottky-Dioden, Bi-polar Transistoren und auch IGBT mit deutlich höheren Frequenzen als Si-Bauteile hergestellt werden.

3-5PE hat als erstes Unternehmen eine industrielle Fertigung von Leistungshalbleitern für hohe Spannungen / Stromstärken entwickelt, die Galliumarsenid-Schichten (GaAs) auf GaAs-Substrate ermöglicht. Das Verfahren macht es möglich, hochwertige Leistungshalbleiter zu Fertigungskosten herzustellen, die im Vergleich zu siliziumkarbidbasierten Geräten deutlich geringer sind.

GaAs Leistungshalbleiter können Schaltvorgänge und Energieübertragungen mit hohen Spannungen und hoher Stromtragfähigkeit deutlich effizienter als die auf Silizium basierten Systemen und mit hoher Zuverlässigkeit gelöst werden.

Bei der bisher nicht in der Leistungselektronik eingesetzten GaAs Technologie von 3-5PE lässt sich die Abhängigkeit von Leistung und Schaltfrequenz nach Prof. Dr. Josef Lutz, Lehrstuhl für Leistungselektronik und elektromagnetische Verträglichkeit, Technische Universität Chemnitz, im Vergleich zu den Materialen Si, SiC und GaN:Si wie folgt einordnen:

Eine der wichtigsten positiven Eigenschaft der galliumarsenid-basierten Leistungshalbleiter ist die hohe Ladungsträgerbeweglichkeit, die 6-7-mal besser als Silizium und 10-mal besser als Siliziumkarbid ist. Eine Gegenüberstellung weiterer Parameter von Galliumarsenid-PIN-Dioden und Siliziumkarbid-Schottky-Dioden einerseits gegenüber Silizium-Dioden andererseits ergeben folgende Bewertung:

  Si SiC dWBG Bewertung
Durchbruchspannung O ++ + 2x besser als Si
Elektronenmobilität + O ++ 6x besser als Si
Temperaturbeständigkeit + + + Bis 300°C
Schaltverluste O ++ ++ 1/7 von Si
Schaltfrequenz O + + 7x schneller als Si
Erzeugung von EMV-Störungen ++ O ++ Vergleichbar mit Si

Anmerkung: O bedeutet aktueller, + = besser als und ++ = deutlich besser als der jeweilige Parameter Standard.

Weitere positive Merkmale der GaAs Diode sind die um bis zu 0,5V niedrigere Vorwärtsspannung Vf im Vergleich zu den typischen Vf Werten von SiC. Hinzu kommt noch eine deutlich kleinere Chipfläche, da die Stromtragfähigkeit pro Quadratmillimeter Chipfläche um den Faktor von rd. 3 höher als bei Silizium und Siliziumkarbid ist.

Vergleicht man die Chipflächen von GaAs mit denen von Si und SiC für die Spannungsklassen 600/650 V und 1200 V dann erhält man folgende Verteilung:

Herausragende Eigenschaften der GaAs-Bauelemente

  • Die Speicherladung von GaAs Leistungsdioden beträgt nur ein Siebtel derjenigen aus Si
  • GaAs Leistungsdioden tragen doppelt so viel Strom in Stoßspannungstests
  • Übergangskapazitäten von GaAs Dioden sind um den Faktor von 5 niedriger als bei SiC
  • Kleine Chipflächen
  • Niedrige Defektdichte
  • Sehr geringer RSDon

Anwendungsgebiete der GaAs-Technologie