Galliumnitrid (GaN) hat sich zu einem der wichtigsten Halbleitermaterialien für Leistungselektronik der nächsten Generation entwickelt. Seine große Bandlücke, hohe Elektronenbeweglichkeit und hohe elektrische Feldtoleranz ermöglichen höhere Schaltfrequenzen und Leistungsdichten als herkömmliche Siliziumbauelemente. GaN-Leistungsbauelemente werden jedoch fast immer durch Heteroepitaxie realisiert, was bedeutet, dass GaN auf einem Fremdsubstrat gezüchtet wird, anstatt in Bulk-Form verwendet zu werden.

Dies macht die Substratauswahl zu einer grundlegenden Designentscheidung und nicht zu einer sekundären Prozessauswahl. Unter allen verfügbaren Optionen dominieren heute Silizium (Si) und Siliziumkarbid (SiC) industrielle GaN-Leistungsbauelemente. Obwohl beide Hochleistungs-GaN-Transistoren unterstützen, führen sie zu grundlegend unterschiedlichem Bauelementverhalten, Systembeschränkungen und Anwendungsbereichen.

Warum das Substrat wichtiger ist, als es scheint

In einem GaN-Leistungstransistor leistet das Substrat weit mehr als nur mechanische Unterstützung. Es beeinflusst die Kristallqualität, die Wärmeableitung, die Spannungsentwicklung und die Langzeitverlässlichkeit. Da sich GaN und das Substrat unterschiedlich ausdehnen, Wärme leiten und binden, setzt das Substrat effektiv die physikalischen Grenzen, innerhalb derer das GaN-Bauelement arbeiten muss.

Drei Materialfehlanpassungen definieren diese Beziehung: Gitterfehlanpassung, Wärmeausdehnungsfehlanpassung und Wärmeleitfähigkeitsfehlanpassung. Silizium weist in allen drei Kategorien eine große Fehlanpassung auf, während SiC in seinen intrinsischen Eigenschaften viel näher an GaN liegt. Dieser Unterschied erklärt, warum GaN-on-Si eine umfangreiche Puffer-Layer-Technik erfordert, während GaN-on-SiC sich stärker auf die Materialverträglichkeit verlassen kann.

Materialebenenvergleich von Si- und SiC-Substraten

Die intrinsischen Eigenschaften der beiden Substrate deuten bereits auf ihre unterschiedlichen Rollen in GaN-Leistungsbauelementen hin.

Größere Siliziumwafer ermöglichen niedrigere Kosten und einen höheren Fertigungsdurchsatz, während die überlegene thermische und mechanische Verträglichkeit von SiC die Spannung reduziert und die Wärmeabfuhr auf Bauebene verbessert.

Elektrische und thermische Auswirkungen auf Bauebene

Aus elektrischer Sicht können sowohl GaN-on-Si als auch GaN-on-SiC hohe Schaltgeschwindigkeiten und einen niedrigen Einschaltwiderstand erreichen. Die Hauptunterschiede treten auf, wenn die Spannungsfestigkeit und die thermische Belastung zunehmen.

GaN-on-Si-Bauelemente werden typischerweise für die 600–650-V-Klasse optimiert, was gut mit Unterhaltungselektronik und Server-Netzteilen übereinstimmt. GaN-on-SiC-Bauelemente können sich komfortabel in höhere Spannungsbereiche erstrecken und gleichzeitig eine stabile Leistung bei erhöhter Temperatur beibehalten.

Diese Unterschiede führen nicht unbedingt zu unmittelbaren Leistungslücken, aber sie definieren, wie aggressiv ein Bauelement angesteuert werden kann, bevor die Zuverlässigkeit zum Problem wird.

Anwendungsperspektive: Wo jedes Substrat glänzt

Auf Anwendungsebene wird die Substratauswahl klarer, wenn Systembeschränkungen berücksichtigt werden.

Für Schnellladegeräte, Laptop-Adapter und Server-Netzteile stehen Kosten, Größe und Effizienz im Vordergrund der Designziele. Die Betriebsspannungen liegen gut im Komfortbereich von GaN-on-Si, und thermische Herausforderungen können durch Verpackung und Kühlung auf Systemebene bewältigt werden. In diesem Bereich bietet GaN-on-Si die attraktivste Balance zwischen Leistung und Kosten.

Im Gegensatz dazu legen hochdichte 48-V-DC-DC-Wandler, Automobilelektronik und industrielle Stromversorgungssysteme viel mehr Wert auf thermische Reserven und Langzeitstabilität. Hier ermöglicht die überlegene Wärmeausbreitungsfähigkeit von SiC, dass GaN-on-SiC-Bauelemente die Leistung unter kontinuierlicher hoher Last ohne aggressive Reduzierung beibehalten.

Auf noch höheren Spannungs- und Leistungsniveaus, wie z. B. bei Wechselrichtern für erneuerbare Energien oder Festkörperschaltern, wird GaN-on-SiC zur praktischen Wahl. Die Kombination aus höherer Spannungsreserve und thermischer Robustheit überwiegt die höheren Waferkosten.

Kosten sind eine Systemvariable, kein Waferpreis

Es ist verlockend, zu dem Schluss zu kommen, dass GaN-on-Si die kostengünstige Option und GaN-on-SiC die teure Option ist. In Wirklichkeit müssen die Kosten auf Systemebene bewertet werden. Geringere Bauelementkosten auf Silizium können konservativere Betriebsbedingungen, größere Kühlkörper oder engere Reduzierungsspielräume erfordern. SiC-basierte Lösungen reduzieren oft die Kühlkomplexität und verlängern die Betriebsdauer.

Mit steigender Leistungsdichte und Zuverlässigkeitsanforderungen können die Gesamtbetriebskosten für GaN-on-SiC wettbewerbsfähig oder sogar niedriger werden.

Fazit: Die Substratauswahl ist eine Designphilosophie

Bei der Wahl zwischen GaN-on-Si und GaN-on-SiC geht es nicht darum, ein besseres Material isoliert auszuwählen. Es geht darum zu entscheiden, wo physikalische Einschränkungen absorbiert werden sollen – durch Bauelementtechnik oder durch Systemdesign.

GaN-on-Si betont Skalierbarkeit und Wirtschaftlichkeit. GaN-on-SiC betont thermische Stabilität und Leistungsspielraum. Das Verständnis dieser Unterscheidung ist unerlässlich, um rationale, anwendungsgesteuerte Entscheidungen in der GaN-Leistungselektronik zu treffen.