INTERVIEW : Schnell schalten und sparen

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Bereits heute wird ein großer Teil der weltweit verbrauchten Energie als elektrische Energie bereitgestellt. Leistungselektronik aus Galliumnitrid soll da in Zukunft erhebliche Einsparpotentiale erschließen.

Das Geschäftsfeld „GaN-HF-Leistungselektronik“ am Fraunhofer IAF entwickelt Hochleistungs-Transistoren und monolithisch integrierte Schaltungen auf Basis des Verbindungshalbleiters Galliumnitrid  (GaN). Dr. Patrick Waltereit ist Projektleiter am Fraunhofer IAF.

 

1. Der weltweite Bedarf an elektrischer Energie wird weiter immens steigen. Wie viel kann denn schätzungsweise durch bessere Galliumnitrid-Leistungselektronik an Energie gespart werden?

Dr. Patrick Waltereit: Bereits heute werden etwa 40% der weltweit verbrauchten Energie in Form von elektrischem Strom bereitgestellt. Es wird erwartet, dass dieser Anteil bis 2040 auf etwa 60% steigt. Galliumnitrid -basierte Spannungswandler können wegen ihrer besonderen physikalischen Eigenschaften die Konversionsverluste von herkömmlichen Silizium-basierten Wandlern in etwa halbieren. Ein wichtiger Vorteil von GaN verglichen mit Si ist die höhere Schaltgeschwindigkeit, die zu kleineren und leichteren Systemen führt und somit die Kosten senkt.

 

2. Die Forschung ist – was Galliumnitrid-Halbleiterbausteine angeht – auf internationalem Stand. Bei der Produktion aber scheint Deutschland noch Nachholbedarf zu haben?

Dr. Patrick Waltereit: Fast alle bekannten Produzenten von mikroelektronischen Bauelementen in Europa beschäftigen sich mit der Evaluation von GaN-basierten Transistoren oder Schaltungen. Dabei reichen die Aktivitäten von einer Beobachtung der Marktentwicklung bis zur Etablierung von Produktionskapazitäten für einen Massenmarkt.

Insbesondere die in Europa führenden Hersteller von leistungselektronischen Bauelementen scheinen durch die Nutzung von Partnerschaften mit Unternehmen oder Forschungseinrichtungen einen schnellen Aufbau von Wissen und Fähigkeiten sowie einen zeitnahen Eintritt in den internationalen Markt anzustreben. Dabei hängt der Erfolg der europäischen GaN-Technologie stark von dem erkennbaren Markteintritt japanischer und amerikanischer Firmen sowie von der Entwicklung der Silizium-Leistungselektronik in den nächsten zwei Jahren ab.

 

3. Sie hatten vor zwei Jahren im Rahmen des Projektes „PowerGaNPlus“ einen GaN-Transistor entwickelt, der die Verlustleistung in Spannungswandlern um die Hälfte reduziert. Was ist der Unterschied zu dem jetzt gerade gestarteten Projekt „ZuGaNG“ (Zukünftige effiziente Energiewandlung mit Galliumnitrid-basierter Leistungselektronik der nächsten Generation)?

Dr. Patrick Waltereit: Im Projekt „PowerGaNPlus“ wurde eine Basistechnologie für GaN-Hochvolttransistoren entwickelt. Die Ergebnisse waren vielversprechend für einfache Labormuster. Im neuen Projekt „ZuGaNG“ gehen wir einen Schritt weiter: Anwender brauchen robuste, temperaturstabile und zuverlässige Bauelemente, deren Herstellungskosten zudem attraktiv sein müssen. Diese Themen packen wir gemeinsam mit anderen Forschungseinrichtungen und der Industrie nun an.

 

4. Galliumnitrid wird schon seit längerem bei der LED-Produktion eingesetzt. Worin bestehen die Unterschiede zur Herstellung von Leistungstransistoren auf Galliumnitrid-Basis?

Dr. Patrick Waltereit: LEDs und Transistoren aus Galliumnitrid unterscheiden sich grundsätzlich im Aufbau ihrer Kristallschichten und der Prozessierung. Das einzig Gemeinsame sind eigentlich die Ausgangsmaterialien für das Kristallwachstum. LEDs benötigen elektrisch leitfähige Schichten für einen vertikalen Stromfluss, GaN-Transistoren hingegen besitzen eine extrem dünne horizontale leitfähige Schicht auf einer möglichst perfekt isolierenden GaN-Zwischenschicht. Bei LEDs wird der Aufbau der Kristallschichten für eine optimale Konversion von Strom in Licht optimiert.

Bei den Transistoren kommt es besonders auf eine hohe Schaltgeschwindigkeit und hohe Stromtragfähigkeit an. Dies wirkt sich auf die Dicke und die Dotierung der einzelnen Kristallschichten und das zu prozessierende Design der Bauelemente aus.

 

5. Welche Ansätze gibt es für eine kostengünstige Herstellung von Galliumnitridtransistoren?

Dr. Patrick Waltereit: Hier kann man sowohl beim Wachstum der Kristallschichten als auch bei der Prozessierung ansetzen. Durch die Verwendung von großflächigen Si-Substraten können die Kosten für das Kristallwachstum gesenkt werden. Können in der Herstellung der Bauelemente Fertigungslinien der Si-Technologie eingesetzt werden, ist auch die Prozessierung der Transistoren kostengünstiger als in klassischen GaN-Fertigungslinien.

Allerdings sind für die Realisierung von solchen GaN-Transistoren auf Si-Substraten noch Lösungen für das optimale Wachstum der Kristallschichten und deren Kontaktierung zu entwickeln. Dies sind wichtige Aufgaben, die wir im Projekt „ZuGaNG“ zusammen mit unseren Partnern durchführen werden.

 

6. Wo sollen die neuen Galliumnitridtransistoren eingesetzt werden?

Dr. Patrick Waltereit: Wir planen in unserem Verbundprojekt eine Reihe von möglichen Anwendungen. Erste Demonstratoren werden die Leistungsfähigkeit der Spannungswandler beim Einsatz in der Heiz-, Fertigungs-, Haushalts- und der Kraftfahrzeugtechnik sowie bei der Gewinnung regenerativer Energien nachweisen. Zukünftig sind dann Pumpmotoren von Waschmaschinen, Ladegeräte für Elektroautos, Generatoren für Plasma- und Lasersysteme oder Photovoltaik-Anlagen im Fokus der geplanten Anwendungen.

 

7. Welche Wirkungsgrade sollen in Zukunft erreicht werden?

Dr. Patrick Waltereit: Wir streben robuste und kostengünstige Spanungswandler mit einer Effizienz von mehr als 98% bei Spannungen von bis zu 1000 V und Strömen von etwa 100 A an. Dabei möchten wir insbesondere durch eine Erhöhung der Betriebsfrequenz die Baugröße der Wandler deutlich reduzieren und somit die Möglichkeiten ihres Einsatzes weiter vergrößern.

 

8. Bis wann, denken Sie, verlässt die Galliumnitrid-Leistungselektronik hierzulande das Forschungsstadium?

Dr. Patrick Waltereit: Es gibt im Bereich der GaN-basierten Hochfrequenzelektronik bereits kommerziell erhältliche Bauelemente aus Deutschland. Transistoren für Hochspannungsanwendungen unterliegen jedoch anderen technologischen und kommerziellen Randbedingungen: GaN-Bauelemente für die Leistungselektronik müssen einerseits deutlich höhere Spannungen und Ströme liefern als Hochfrequenzbauelemente, andererseits ist der Kostendruck für Spannungswandler höher, da es sich um einen Massenmarkt handelt.

Danke für das Interview.

www.iaf.fraunhofer.de

 

Dr. Waltereit Fraunhofer IAF

Dr. Waltereit Fraunhofer IAF