Das Team hat eine neuartige MOS-Gate-Stack-Technologie auf der Basis von high-k Dielektrika für SiC-Leistungs-MOSFETs entwickelt, die die heutigen SiO2-Gate-Oxide ersetzen. Das herkömmliche Gate-Oxid ist ein Schwachpunkt heutiger SiC-MOSFETs, da es unter Defekten in der Oxid/SiC-Grenzflächen leidet und das starke elektrische Feld über dem Gate-Oxid sich negativ auf die Zuverlässigkeit der Bauelemente auswirkt. Die Innovation wurde durch die Herstellung voll funktionsfähiger vertikaler high-k Leistungs-SiC-MOSFETs für mehrere Spannungsklassen, nämlich 1,2 kV, 1,7 kV und 3,3 kV, erfolgreich aufgebaut und verifiziert. Die on-state Performance konnte im Vergleich zu Bauelementen mit SiO2-Gateoxid um 35 % verbessert werden, und es konnte eine verbesserte Schwellenspannungsstabilität nachgewiesen werden. Die Bauelemente mit der entwickelten high-k Gate Stack Technologie zeigen sowohl bei statischer als auch bei dynamischer Charakterisierung praktisch keine Vth-Verschiebung. Es ist zu erwarten, dass diese deutlich verbesserte SiC MOSFET Technologie einen großen Einfluss auf die Leistungselektronik mit verbesserter Energieeffizienz in verschiedenen Anwendungen einschließlich der Elektromobilität haben wird.

Der diesjährige SEMIKRON Young Engineer Award geht an Michael Basler vom Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF in Freiburg für seine Arbeit ”Monolithic Integration for GaN Power ICs”.

Die Technologie der GaN-Leistungs-ICs kombiniert die Performance einer breiten Bandlücke mit einer lateralen Struktur und einem kostengünstigen Si-Trägersubstrat. Eine gemeinsame GaN-Leistungsintegrations-Plattform mit mehreren aktiven und passiven Bauelementen sowie analogen und digitalen Schaltungen wurde intensiv untersucht. Diese Bausteine können verwendet werden, um Peripheriekomponenten der Leistungselektronik in die GaN-Leistungsbauelemente zu integrieren, die aus Antriebs-, Mess-, Schutz-, Steuer-, Schnittstellen- und Hilfsstromversorgung bestehen.

Der Forscher hat die GaN-on-Si-Technologie durch zukunftsweisende Konzepte vorangetrieben und zwei innovative monolithisch integrierte GaN-Leistungs-ICs mit herausragender Leistung demonstriert.  Einen synchronen Abwärtswandler mit Halbbrücke, Treiber und Steuerung für hochkompakte DC-DC-Wandlung sowie einen aktiven Gleichrichter mit Leistungsschalter, Steuerung und Hilfsstromversorgung für hochkompakte AC-DC Wandler.

Die Innovation ist ein Meilenstein auf dem Weg zur weiteren Verbreitung der GaN Leistungs-IC Technologie in Anwendungen und Produkten, die nicht nur eine überragende Leistung, sondern auch niedrige Kosten, einen hohen Wirkungsgrad und einen geringen Verbrauch von Ressourcen und Energie ermöglicht.