Verbesserung des Wirkungsgrads von SiC-Bauelementen mit Merged-Pin-Schottky-Dioden

Siliziumkarbid (SiC) hat gegenüber Silizium (Si) Vorteile, die es für Schottky-Dioden in Anwendungen wie schnellen Akkuladegeräten, photovoltaischen (PV) Batteriewandlern und Traktionswechselrichtern besonders geeignet machen. Dennoch werden die Entwickler dazu gedrängt, den Wirkungsgrad weiter zu verbessern.

Zwei Möglichkeiten, dies mit SiC-Bauteilen zu erreichen, sind die Reduzierung von Leckstrom und Verlusten durch Wärmewiderstand. Das Erreichen dieser Ziele ist zwar eine Herausforderung, aber MPS-Dioden (Merged-PiN Schottky) bieten eine Lösung. MPS-Bauelemente verbessern auch die Überstromleistung von Schottky-Dioden.

In diesem Artikel werden die Vorteile von SiC-Schottky-Dioden gegenüber herkömmlichen Dioden für Hochleistungsanwendungen erläutert und aufgezeigt, wo weitere Leistungsverbesserungen möglich sind. Anschließend werden Beispiele für MPS-Dioden von Nexperia vorgestellt, ihre wichtigsten Merkmale zusammengefasst und erörtert, wie Entwickler von deren Anwendung profitieren können.

Die Vorteile von SiC-Schottky-Dioden

Der Vorteil der SiC-Schottky-Diode gegenüber einem herkömmlichen Si-P-N-Übergang ergibt sich aus den Eigenschaften des zugrundeliegenden Halbleitermaterials und seiner Konstruktion. SiC hat eine größere Bandlücke als Si. Die Bandlücke ist die Energie, die benötigt wird, um Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband eines Halbleiters zu überführen, und sie ist ein entscheidender Faktor für die elektrische Leitfähigkeit des Materials.

Die breitere Bandlücke von SiC verleiht ihm eine um eine Größenordnung höhere dielektrische Durchbruchfeldstärke mit einer dünneren Driftschicht bei gleicher Nennspannung im Vergleich zu einem Si-Bauelement. Die Driftschicht ist die leicht dotierte Schicht zwischen den P- und N-Schichten einer herkömmlichen Diode oder den Metall- und P-Schichten einer SiC-Schottky-Diode. Die dünnere Driftschicht bietet einen geringeren Widerstand und eine bessere elektrische Leitfähigkeit bei geringerer Chipgröße.

Ein weiterer Vorteil von SiC ist seine etwa 3,5-fach bessere Wärmeleitfähigkeit, die die Verlustleistung bei einer bestimmten Chipfläche verbessert. Die maximale Betriebstemperatur von SiC ist fast doppelt so hoch wie die von Si. Durch die Verwendung einer kleineren Chipgröße wird die Eigenkapazität des Bauelements verringert, und die damit verbundenen Ladungen sind bei einem bestimmten Strom und einer bestimmten Spannung geringer. Diese Eigenschaften und die höhere Sättigungsgeschwindigkeit der Elektronen in SiC ermöglichen höhere Schaltgeschwindigkeiten bei geringeren Verlusten.

Konstruktiv gesehen verzichtet die Schottky-Diode anstelle des herkömmlichen P-N-Übergangs auf den P-Typ und verwendet stattdessen eine dünne Metallschicht (Platin, Wolfram, Gold oder ein anderes Metall), die mit dem N-Typ-Material verbunden ist. Diese Verbindung bildet einen Metall-Halbleiter-(M-S)-Übergang, eine so genannte Schottky-Barriere (Abbildung 1).

Abbildung 1: Schottky-Dioden ersetzen den P-Typ-Halbleiter einer herkömmlichen Diode (oben) durch ein Metall, um einen M-S-Übergang (unten) zu bilden. (Bildquelle: DigiKey)

Der M-S-Übergang erzeugt bei Vorwärts- und Rückwärtsspannung einen engeren Elektronenverarmungsbereich als der P-N-Übergang (Abbildung 2). Die schmalere Verarmungszone verleiht der Schottky-Diode einen entscheidenden Vorteil: eine niedrigere Durchlassspannung (V_F) als bei einer herkömmlichen Diode. In Durchlassrichtung vorgespannt, beginnt die Schottky-Diode in der Regel bei einigen hundert Millivolt zu leiten, verglichen mit 0,6 bis 0,7 Volt bei einem P-N-Übergang. Diese Eigenschaft ist vorteilhaft für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch, z. B. für batteriebetriebene Geräte.

Abbildung 2: Die Verarmungszone der Schottky-Diode ist sowohl in Durchlassrichtung als auch in Sperrrichtung schmaler, was zu einer niedrigen Durchlassspannung und geringeren Verlusten führt. (Bildquelle: DigiKey)

Schottky-Bauelemente leiten nur durch Majoritätsträger (Elektronen), was dazu führt, dass die in der Sperrschicht der Diode gespeicherte Ladung vernachlässigbar ist, wenn das Bauelement in Durchlassrichtung vorgespannt ist. Dies begrenzt die Verluste (und die Verlustleistung), wenn die Diode von der Durchlass- in die Sperrvorspannung umschaltet. Im Gegensatz dazu leiten P-N-Übergangsdioden durch Minoritäts- und Majoritätsladungsträger, was zu größeren gespeicherten Ladungen in der Verarmungsschicht führt. Die Folge sind höhere Schaltverluste für das P-N-Bauelement, die sich mit steigender Frequenz vervielfachen.

Insgesamt verbraucht eine Schottky-Diode weniger Strom und ist in der Regel thermisch effizienter bei der Wärmeableitung in Hochleistungsanwendungen als ein P-N-Bauelement. Die geringere Verlustleistung ermöglicht es der Schottky-Diode, höheren Temperaturen standzuhalten und so eine robustere Leistung und höhere Zuverlässigkeit ohne das Risiko eines thermischen Durchgehens zu erreichen.

Ein weiterer Vorteil der schmalen Verarmungszone der Schottky-Diode besteht darin, dass das Bauteil eine geringere Kapazität aufweist. Zusammen mit dem weichen Schaltverhalten der SiC-Dioden reduziert diese geringe Kapazität elektromagnetische Störungen (EMI) erheblich.

Wie man SiC-Schottky-Dioden noch besser macht

SiC-Schottky-Dioden werden immer besser. So vervielfacht beispielsweise die schmale Verarmungszone eines modernen SiC-Bauelements die Auswirkungen der Unzulänglichkeiten, die bei der Herstellung der M-S-Grenzfläche auftreten und hohe Leckströme verursachen, wenn die Diode in Sperrrichtung vorgespannt ist. Außerdem verhindert die schmale Verarmungszone, dass die SiC-Schottky-Diode hohen Sperrspannungen (V_R) standhält. Eine Schottky-Diode kann einem V_R von einigen zehn Volt standhalten, während ein P-N-Übergang Hunderten von Volt standhalten kann.

Eine Lösung für die hohen Leckströme der SiC-Diode besteht darin, die Driftschicht und das Substrat der Diode zu verdicken. Dadurch erhöht sich jedoch der elektrische und thermische Widerstand, was die V_F und die Sperrschichttemperatur (T_J) bei einem bestimmten Strom in die Höhe treibt. Außerdem kann sich der höhere Widerstand der verdickten Driftschicht auf die Überstromleistung auswirken.

Nexperia hat sich dieser Herausforderung mit seiner MPS-Diode gestellt. Die MPS-Struktur der PSC-Serie von Nexperia verwendet zwei Diodentypen, eine SiC-Schottky- und eine P-N-Diode, die parallel angeordnet sind. P-dotierte Senken werden in die Driftzone eines konventionellen Schottky-Bauelements implantiert und bilden einen P-Ohmschen Kontakt mit dem Metall an der Schottky-Anode und einen P-N-Übergang mit der leicht dotierten SiC-Drift- oder EPI-Schicht (Abbildung 3).

Abbildung 3: Die MPS-Struktur verwendet zwei Diodentypen, ein SiC-Schottky- und ein P-N-Bauelement, die parallel angeordnet sind. P-dotierte Bereiche werden in die Driftzone implantiert, um einen P-ohmschen Kontakt mit dem Metall und einen P-N-Übergang mit der SiC-Drift- oder EPI-Schicht zu bilden. (Bildquelle: Nexperia)

In Sperrrichtung führen die P-dotierten Senken dazu, dass sich die maximale Feldstärke nach unten in die fast defektfreie Driftschicht verlagert, weg von der Metallbarriere mit ihren Unvollkommenheiten, wodurch der Gesamtleckstrom verringert wird (Abbildung 4).

Abbildung 4: Durch Hinzufügen von P-dotierten Senken zu einer SiC-Schottky-Diode wird der Bereich maximaler Feldstärke unter Sperrvorspannung vom Anodenmetall weg verlagert. Das Ergebnis sind geringere Leckströme. (Bildquelle: Nexperia)

Die Platzierung der P-dotierten Senken, die Fläche und die Dotierungskonzentration wirken sich auf die Endeigenschaften aus und schaffen einen Kompromiss zwischen dem V_F-Einbruch und den Leck- und Überströmen. Das Ergebnis ist, dass ein MPS-Bauelement mit einer höheren Durchbruchspannung arbeiten kann als eine herkömmliche SiC-Diode, aber mit demselben Leckstrom und derselben Driftschichtdicke.

Die hybride Kombination aus Schottky-Diode (ein unipolares Bauelement) und P-N-Diode (bipolar) bewirkt, dass der P-N-Übergang unter normalen Bedingungen nicht leitend ist, so dass fast keine Rückstromverluste auftreten. Die Hybridanordnung verbessert jedoch die Stoßstrombelastbarkeit, da die P-N-Diode bei transienten Überstromereignissen leitet und das Hybridbauteil effektiv schützt.

Da sich die MPS-Dioden unter Nennbedingungen wie Schottky-Dioden verhalten, weisen die Bauelemente ein rein kapazitives Schaltverhalten auf, was zu einer geringeren Rückwärtserholungsladung (Q_RR) führt als bei einer Si-Schnellerholungsdiode mit der gleichen elektrischen Leistung. Q_RR, d. h. die gespeicherte Ladung in der Diode, die rekombinieren muss, bevor die Diode die Sperrspannung blockieren kann, ist einer der Hauptverlustfaktoren einer Si-Diode.

In Abbildung 5 wird das Rückstromverhalten einer Si-Diode mit dem einer SiC-Diode (PSC1065HJ von Nexperia) verglichen. Die SiC-Diode schaltet rein kapazitiv, was zu einem minimalen Q_RR führt. Die Q_RR entspricht der Fläche des Diagramms unter der Achse I_F = 0.

Abbildung 5: Gezeigt ist das Rückstromverhalten einer Si-Diode (links) im Vergleich zu einer SiC-Diode (rechts). Die SiC-Diode weist ein rein kapazitives Schaltverhalten auf, was zu einer minimalen Q_RR führt. (Bildquelle: Nexperia)

Verringerung der Driftschichtdicke bei der Herstellung

Da MPS-Dioden im Vergleich zu konventionellen SiC-Dioden deutlich geringere Leckströme aufweisen, ist es von Vorteil, die Dicke der Driftschicht zu verringern. Wie bereits erwähnt, ist die Driftschicht bei herkömmlichen SiC-Dioden dicker als bei Si-Dioden, um Leckströme gering zu halten.

Bei der Herstellung wird das unbearbeitete SiC-Substrat N-dotiert, und die SiC-Epitaxieschichten werden zur Bildung des Driftbereichs „aufgewachsen“. Das Substrat kann bis zu 500 Mikrometer (µm) dick sein, was den elektrischen und thermischen Widerstand für den Strom- und Wärmeflusspfad von der Verbindungsstelle zum rückseitigen Metall erhöht. Das Ergebnis ist ein erhöhter V_F-Einbruch und T_J für einen bestimmten Strom.

Eine Lösung zur Verringerung des elektrischen und thermischen Widerstands der Driftschicht besteht darin, die Dicke der Unterseite des Substrats durch Schleifen während des Herstellungsprozesses zu verringern (Abbildung 6). Das Ergebnis ist eine MPS-Diode, die unter den gegebenen Betriebsbedingungen eine niedrigere Betriebstemperatur, eine höhere Zuverlässigkeit, eine höhere Überstrombelastbarkeit und einen geringeren V_F-Einbruch aufweist als eine vergleichbare SiC-Diode.

Abbildung 6: Die Reduzierung der Dicke der Unterseite des Substrats (rechts) führt zu einer MPS-Diode, die eine niedrigere Betriebstemperatur, eine höhere Zuverlässigkeit, eine höhere Überstrombelastbarkeit und einen geringeren V_F-Einbruch als eine vergleichbare SiC-Diode aufweist. (Bildquelle: Nexperia)

Kommerzielle Optionen

Nexperia bietet eine Reihe von MPS-Dioden für so unterschiedliche Anwendungen wie Batterieladeinfrastrukturen, Server- und Telekommunikationsnetzteile, unterbrechungsfreie Stromversorgungen und PV-Wechselrichter an.

Die PSC0665HJ (Abbildung 7) ist eine MPS-SiC-Schottky-Diode, die in einem DPAK-R2P-Gehäuse (TO-252-2) zur Oberflächenmontage eingekapselt ist. Der Wärmewiderstand von der Sperrschicht zum Gehäuse (R_th(j-c)) beträgt 2,7 Kelvin/Watt (K/W). Die Gesamtverlustleistung (P_tot) (T_c ≤ +25°C) beträgt 115 W. Die Diode bietet ein temperaturunabhängiges kapazitives Abschalt- und Nullerholungs-Schaltverhalten in Kombination mit einem hohen Gütefaktor (FOM) (FOM = gesamte kapazitive Ladung (Q_C) x V_F). Das Bauteil bietet einen soliden Überstromschutz, der durch einen hohen nicht wiederkehrenden Spitzendurchlassstrom (I_FSM) angezeigt wird.

Abbildung 7: Die PSC0665HJ ist eine MPS-SiC-Schottky-Diode, die in einem DPAK-R2P-Gehäuse (TO-252-2) eingekapselt ist. (Bildquelle: Nexperia)

Die Q_C der PSC0665HJ beträgt 14 Nanocoulomb (nC) (bei V_R = 400 V; dI_F/dt = 200 A/Mikrosekunde (A/µs); Vorwärtsstrom (I_F) ≤ 6 A; T_J = +25°C) und V_F = 1,5 V (bei I_F = 6 A; T_J = +25°C). Daraus ergibt sich ein Gütefaktor für die Diode von 14 nC x 1,5 V = 21 Nanojoules (nJ).

Die maximale wiederholbare Spitzensperrspannung (V_RRM) beträgt 650 V. Der Rückwärtsstrom (I_R) beträgt 1 µA bei +25°C, mit einer V_R von 650 V. Der maximale Durchlassstrom (I_F) beträgt 6 A, und der maximale I_FSM beträgt 300 A (t_p = 10 µs; Rechteckwelle; T_c = +25°C) oder 36 A (t_p = 10 ms; halbe Sinuswelle; T_c = +25°C).

Die PSC2065LQ ist ein weiteres Angebot in der Familie der MPS-SiC-Schottky-Dioden von Nexperia. Dieser Baustein ist in einem TO247-R2P-Plastikgehäuse (TO-247-2) untergebracht. Der Wärmewiderstand von der Sperrschicht zum Gehäuse (R_th(j-c)) beträgt 1 W. P_tot (T_c ≤ +25°C) beträgt 115 W.

Die Q_C für den PSC2065LQ beträgt 41 nC (bei V_R = 400 V; dI_F/dt= 200 A/µs; I_F ≤ 20 A; T_j = +25°C) und V_F = 1,5 V (bei I_F = 20 A; T_J = +25°C). Das ergibt einen Gütefaktor von 41 nC x 1,5 V = 61,5 nJ.

V_RRM ist 650 V. I_R ist 1 µA bei +25°C, bei einem V_R von 650 V. Maximale I_F ist 10 A und maximale I_FSM ist 440 A (t_p = 10 µs; Rechtecksignal; T_c = +25°C) oder 52 A (t_p = 10 ms; halbe Sinuswelle; T_c = +25°C).

Fazit

Im Vergleich zu Si bieten SiC-Schottky-Dioden überlegene technische Vorteile, wie z. B. eine deutlich bessere Schaltleistung und höhere Schaltfrequenzen, ohne Einbußen bei der Ausgangsleistung oder der Effizienz des Gesamtsystems. Weitere Leistungssteigerungen für SiC-Schottky-Dioden wurden mit der hybriden MPS-Konstruktion von Nexperia erreicht, die eine SiC-Schottky-Diode parallel zu einer P-N-Diode nutzt. Das Ergebnis ist ein Bauelement, das unter den gegebenen Betriebsbedingungen eine niedrigere Betriebstemperatur, eine höhere Zuverlässigkeit, eine höhere Überstrombelastbarkeit und einen geringeren V_F-Einbruch als eine vergleichbare SiC-Diode aufweist.