SiC-Elektronik - Entwicklung von energiesparenden MOS-Schaltelementen auf SiC-Basis Abschlussbericht

Abstract

For voltages up to 600 V, today silicon MOSFETs (metal oxide semiconductor field effect transistor) are the best choice for fast switching applications, with low on-resistances of 30 m#OMEGA#cm"2. Nevertheless, it is difficult to fabricate silicon MOSFETs for higher voltages because of the high resistance of the drift zone. Hence, either very large chip areas are necessary or high static losses have to be taken into account. Alternatively, MOSFETs on the base of silicon carbide are offering a promising innovation potential for the kV voltage range. At the beginning of the project a serious problem was the fact that the blocking voltages got by experiments were far away from theoretic predictions and the specific on-resistances were to high by a factor of 2-3. Small device areas did not allow to extrapolate results to larger power devices. The aim of this project was the fabrication of working prototypes and the development of a SiC specific technology needed for this purpose. Existing problems have been solved successfully by a planar device concept. The samples fabricated in our lab are characterised by the following features: specific on-resistances using 6H-SiC: 25 m#OMEGA#cm"2 capable to block 700 V, 33 m#OMEGA#cm"2 capable to block 1200 V and 46 m#OMEGA#cm"2 capable to block 1800 V. The MOSFETs are always normally closed. These 6H on-resistances can be halved by using the polytype 15R, 4H material proved not to be feasible for MOSFETs. The breakdown voltage of the MOSFETs is avalanche limited, in switching and shortcut operation the MOSFETs demonstrated a robust and latch-up free behaviour. They were controllable in all switching states by the external circuit. SiC MOSFETs promise substantial advantages regarding energy saving, system size, weight and EMC, e.g. in motor drives, solar and wind power generators, uninterruptible power supplies and switched mode power supplies in computers and household appliances. (orig.)Als schnelle Leistungsschalter sind heute Silizium-MOSFETs (metal oxide semiconductor field effect transistor) fuer Spannungen bis 600 V mit spezifischen Einschaltwiderstaenden von 30 m#OMEGA#cm"2 verfuegbar. Hoehere Spannungen lassen sich mit Si-MOSFETs jedoch nur schwer realisieren, da entweder sehr grosse Chipflaechen benoetigt werden oder hohe statische Verluste in Kauf zu nehmen sind. Alternativ bieten MOSFETs auf der Basis von Siliziumkarbid fuer Spannungen im kV-Bereich ein vielversprechendes Innovationspotential. Zu Projektbeginn bestand jedoch ein erhebliches Problem darin, dass die experimentell erzielten Sperrspannungen deutlich hinter theoretischen Vorhersagen zuruecklagen und die tatsaechlichen Einschaltwiderstaende um den Faktor 2 bis 3 zu hoch lagen. Die kleinen Bauelementflaechen liessen kaum Aussagen ueber Leistungsbauelemente zu. Die Zielsetzung des Vorhabens bestand in der Herstellung funktionsfaehiger Labormuster und der Entwicklung der dazu benoetigten SiC-spezifischen Technologie. Vorhandene Probleme wurden mit Hilfe eines planaren Bauelement-Konzeptes erfolgreich geloest. Die hergestellten Labormuster wiesen folgende Merkmale auf: spezifische Einschaltwiderstaende mit 6H-SiC: 25 m#OMEGA#cm"2 bei 700 V Sperrspannung, 33 m#OMEGA#cm"2 bei 1200 V, 46 m#OMEGA#cm"2 bei 1800 V. Die MOSFETs sind stets selbstsperrend. Die Einschaltwiderstaende lassen sich mit 15R gegenueber den o.a. 6H-Werten halbieren. 4H-Material erwies sich als ungeeigneter Polytyp. Die Sperrspannung der MOSFETs wird durch einen grossflaechigen Lawinendurchbruch begrenzt. Die MOSFETs verhalten sich im Schalt- und Kurzschlussbetrieb robust und latch-up-fest. Sie sind in allen Schaltzustaenden durch die aeussere Beschaltung kontrollierbar. SiC-MOSFETs versprechen erhebliche Vorteile hinsichtlich Energieersparnis, Baugroesse, Gewicht und EMV-Vertraeglichkeit, z.B. in Umrichtern fuer Motorantriebe, Solar-, Windkraftgeneratoren, unterbrechungsfreie Stromversorgungen und Schaltnetzteile von Computern, Haushaltsgeraeten oder elektronischen Kleinverbrauchern. (orig.)SIGLEAvailable from TIB Hannover: F01B27+a / FIZ - Fachinformationszzentrum Karlsruhe / TIB - Technische InformationsbibliothekBundesministerium fuer Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie, Bonn (Germany); DLR Deutsches Zentrum fuer Luft- und Raumfahrt e.V., Bonn (Germany)DEGerman