Halbleiterbasierte Technologien, Industrial Automation, Information and Communication, Mobility and Urbanization / Fraunhofer IISB

Kleiner, schneller, energieeffizienter – leistungsstarke Bauelemente für den digitalen Wandel

16.3.2020

Hocheffiziente Leistungshalbleiter sollen die Voraussetzungen für vielfältige neue Anwendungen schaffen – von der Elektromobilität bis hin zur Künstlichen Intelligenz (KI). Darauf zielt das kürzlich gestartete Projekt »Leistungstransistoren auf Basis von Aluminiumnitrid (AlN) (ForMikro-LeitBAN)« ab, an dem auch die FMD-Mitglieder Fraunhofer IISB und Leibniz FBH beteiligt sind.

© FBH / schurian.com
Detail eines digitalen Galliumnitrid-Leistungsverstärkers.
© Anja Grabinger / Fraunhofer IISB
Aluminiumnitrid-Kristall als Halbleitergrundmaterial für leistungselektronische Bauelemente.

Smarte Energieversorgung, Elektromobilität, breitbandige Kommunikationssysteme und KI-Anwendungen – die Anzahl miteinander agierender und vernetzter Systeme wächst stetig. Das steigert jedoch auch den Primärenergieverbrauch. Insbesondere die Umwandlung elektrischer Energie in die von der spezifischen Anwendung benötigte Form bringt Verluste mit sich – allein in Europa bereits jetzt schätzungsweise mehr als drei Terawattstunden. Das entspricht der Elektrizitätsmenge, die von einem mittleren Kohlekraftwerk produziert wird. Perspektivisch sind diese Verluste ökologisch und ökonomisch nicht mehr tragbar. Um dennoch Anwendungen in Industrie 4.0, KI und Co. zu ermöglichen, werden in ForMikro-LeitBAN technologische Maßnahmen zur Effizienzsteigerung erforscht.

Neue Halbleitermaterialien können Energie einsparen und den CO2–Ausstoß deutlich verringern

Grundvoraussetzung dafür sind effizient schaltende Leistungshalbleiter, die eine hohe Energiedichte ermöglichen. In großem Maßstab eingesetzt, ließe sich mit ihnen spürbar Energie einsparen – ein relevanter Beitrag zur CO2-Reduzierung. Um die Effizienz von Systemen zu steigern,  müssen statische und dynamische Verlustleistungen reduziert werden. Jedoch sind mit gängigen Leistungsbauelementen auf Siliziumbasis kaum noch Effizienzsteigerungen möglich. Daher müssen neue Halbleitermaterialien mit verbesserten Eigenschaften erforscht und zur Marktreife gebracht werden.

Aluminiumnitrid – Ausgangsmaterial mit Potenzial

Die Projektpartner setzen auf Aluminiumnitrid. Das für elektronische Anwendungen bislang wenig erforschte Halbleitermaterial bietet, im Vergleich mit Silizium-Bauelementen, einen bis zu 10.000-fach geringeren Durchlassverlust. Es zeichnet sich zudem durch eine sehr hohe Durchbruchsspannungsfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit aus – ideale Voraussetzungen für Leistungshalbleiter mit hoher Energiedichte und Effizienz. Freistehende isolierende AlN-Wafer sollen als Materialbasis eingesetzt und qualifiziert werden. Gegenüber einer AlN-Epitaxie auf Fremdsubstraten, wie etwa Siliziumkarbid, kann die Versetzungsdichte um fünf Größenordnungen reduziert werden. Das bietet das Potenzial für schnell und effizient schaltende Bauelemente bei gleichzeitig hoher Zuverlässigkeit.

Volle Prozesskette – vom Kristallwachstum bis zu Systemdemonstratoren

Die neuartigen AlN-Bauelemente bauen konzeptionell auf der gut erforschten GaN-Technologie auf. Neu ist der Übergang von den üblichen Fremdsubstraten wie Siliziumkarbid, Saphir oder Silizium auf freistehende AlN-Substrate. ForMikro-LeitBAN erforscht die Entwicklung derartiger AlN-Wafer und testet diese in einem speziell zugeschnittenen Bauelementprozess. Testsysteme für Millimeterwellen-Anwendungen und für leistungselektronische Energiekonverter qualifizieren die neuen hocheffizienten AlN-Bauelemente für die Anwendungen in entsprechenden Systemen. Sie bereiten den Transfer dieser Technologie in eine industrielle Umgebung vor. Dies ist im Rahmen eines Folgeprojekts geplant. Ein Industriebeirat unterstützt die Arbeiten im Konsortium: Infineon für die Leistungselektronik, UMS für die Millimeterwellen-Technik und III/V-Reclaim für die Wiederverwertung der AlN-Wafer.

Das Vorhaben wird bis 2023 mit 3,3 Mio. Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Programm ForMikro gefördert.

 

Folgende Partner beteiligen sich an »ForMikro-LeitBAN« und decken gemeinsam die komplette Wertschöpfungskette ab – vom AlN-Wafer bis hin zum Millimeterwellen- oder leistungselektronischen System:

  • Ferdinand-Braun-Institut FBH: AlN-Bauelementdesign und -Entwicklung (Projektkoordination)
  • Fraunhofer IISB: AlN-Kristallzüchtung, Waferherstellung
  • Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg: AlN-Millimeterwellen-Systeme
  • Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg: Materialanalytik
  • Technische Universität Bergakademie-Freiberg: Prozessmodulentwicklung, Analytik
  • Technische Universität Berlin: AlN-Leistungselektronische Systeme