Effiziente Galliumnitrid-Spannungswandler für Energiesysteme der Zukunft

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Aufbau zur Untersuchung der Schalteigenschaften von GaN-Hochspannungstransistoren.

Die elektronischen Bauteile auf Basis von Galliumnitrid sind energieeffizienter, leistungsfähiger und mit weniger Kühlaufwand zu betreiben als die herkömmlich eingesetzten Silizium-Komponenten. Nun soll mit zukunftsweisenden Materialtechnologien im Forschungs- und Entwicklungsprojekt »Zukünftige effiziente Energiewandlung mit Galliumnitrid-basierter Leistungselektronik der nächsten Generation« (ZuGaNG) eine neue Produktgeneration für die Leistungselektronik realisiert werden. Im Rahmen des Projekts entwickeln Wissenschaftler eines Verbunds aus Industrie und Forschung Hochspannungstransistoren auf Basis des leistungsfähigen Halbleiters Galliumnitrid für den Einsatz in Spannungswandlern. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit knapp vier Millionen Euro über die nächsten drei Jahre gefördert und ist Teil der BMBF-Fördermaßnahme »Leistungselektronik zur Energieeffizienz-Steigerung (LES) – Teil 2: Elektronik für die Energie der Zukunft«.

Höhere Leistung und niedrigere Kosten dank Galliumnitrid

Durch die Weiterentwicklung der eingesetzten Technologie wollen die Wissenschaftler sowohl eine erhebliche Steigerung der Energieeffizienz von Spannungswandlern als auch die Einsparung von bis zu 50 % der Herstellungskosten von Galliumnitrid-Leistungstransistoren erreichen. Die Transistoren reduzieren durch ihre hohe Schaltfrequenz die Verluste von Spannungswandlern und arbeiten auch bei hohen Temperaturen effizient. Physikalische Eigenschaften des Halbleiters Galliumnitrid, wie die hohe Elektronenbeweglichkeit und die kritische Feldstärke, ermöglichen Leistungs-transistoren mit einer höheren Lebensdauer und Robustheit als herkömmlich eingesetzte Silizium-Bauteile. »Durch die hohe Taktfrequenz unserer Transistoren ist außerdem eine Miniaturisierung der Systeme möglich, da wir passive Bauelemente kleiner dimensionieren können«, erläutert Dr. Patrick Waltereit, Projektleiter am Fraunhofer IAF. »So lassen sich das Volumen der Bauteile, der Kühlungsbedarf und die benötigten Module reduzieren, wodurch die Herstellungs- und Betriebskosten sinken.«

Gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Forschung streben die Wissenschaftler des Fraunhofer IAF die Entwicklung neuartiger Konzepte für Design, Materialherstellung und Prozesstechnologie zur Fertigung der Leistungselektronik-Bauelemente an. Erste Demonstratoren sollen schon bald die Leistungsfähigkeit der Spannungswandler beim Einsatz in Heiz-, Fertigungs- und Haushaltstechnik, in der Elektromobilität sowie bei der Gewinnung regenerativer Energien nachweisen. Zukünftig könnten die Leistungs-transistoren dann in Pumpmotoren von Waschmaschinen oder Heizungen, Ladegeräten für Elektroautos, Generatoren für Plasma- und Lasersysteme, oder in Photovoltaik-Anlagen helfen Energie zu sparen. Neben dem Aufbau von Demonstratoren verfolgen die Projektpartner eine umfassende Charakterisierung der Galliumnitrid-Transistoren, um ein weitgehendes Verständnis der Korrelationen von Herstellung einerseits und strukturellen, elektrischen und thermischen Eigenschaften andererseits zu erreichen. Darüber hinaus soll die Technologie hinsichtlich Zuverlässigkeit und Robustheit optimiert werden, um sie schließlich für die industrielle Fertigung zu qualifizieren.

Innovative Zukunftskonzepte: Galliumnitrid in einer CMOS-Umgebung

Ein innovativer Ansatz zur Senkung der Fertigungskosten besteht in der Eingliederung der Galliumnitrid-basierten Transistoren in CMOS (Complementary metal-oxide semi-conductor)-Fertigungslinien, die eine kostengünstige Serienproduktion erlauben würde. Zudem soll in den kommenden Jahren das besondere Integrationspotential, der hohe Durchsatz und die hervorragende Funktionalität der Silizium-CMOS-Technologie mit der hohen elektrischen Leistungsdichte und Robustheit der Galliumnitrid-Bauelemente kombiniert werden, um die vielversprechenden Möglichkeiten für eine optimierte Leistungselektronik nutzbar zu machen.

Über das Projekt

Ziel des Projekts ZuGaNG ist die Entwicklung einer neuen Generation von Galliumnitrid-basierten Hochspannungstransistoren für die Leistungselektronik, die durch ihre hohe Taktfrequenz die Verlustleistung von Spannungswandlern halbieren und auch bei hohen Spannungen und Temperaturen zuverlässig arbeiten. Mit neuartigen Konzepten für Leistungselektronik-Module und deren Fertigungsprozesse soll eine kostengünstige Produktion der Galliumnitrid-Bauelemente ermöglicht werden.

Unter der Projektleitung des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF arbeiten führende Industrie- und Forschungseinrichtungen im interdisziplinären Verbund zusammen und decken so die gesamte Wertschöpfungskette für eine zukünftige Produktgeneration ab. Beteiligt sind die Robert Bosch GmbH, TRUMPF Hüttinger GmbH, KACO new energy GmbH, X-FAB Semiconductor Foundries AG, Lewicki microelectronic GmbH, EDC Electronic Design Chemnitz GmbH sowie das Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie ISIT, das Ferdinand-Braun-Institut, die Universität Erlangen, die Hochschule Reutlingen und die Universität Magdeburg.

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