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Galliumnitrid soll Transistoren leistungsfähiger machen

Niedriger Energieverbrauch und hohe Leistungen sind zentrale Anforderungen an moderne Leistungskonvertersysteme. Leistungstransistoren sind dabei die elementaren Bauelemente, sie transformieren die Gleich- und Wechselstrom auf unterschiedliche Spannungen. Sie sind in beinahe jedem technischen Gerät zu finden - auch in Elektro- und Hybridfahrzeugen.
Das vom Ferdinand-Braun-Institut koordinierte EU-Projekt HiPoSwitch beschäftigt sich in den kommenden drei Jahren mit neuartigen Galliumnitrid-basierten Transistoren. Sie sollen bei künftigen Leistungskonvertersystemen für weniger Volumen und Gewicht bei gleichzeitig höherer Leistungsfähigkeit sorgen.

Die Effizienz derzeitiger Systeme wird in der Regel durch die verwendeten aktiven Schaltelemente begrenzt. Heutzutage kommen meist Komponenten auf der Basis von Silizium oder Siliziumkarbid zum Einsatz. Die Silizium-Technologie ist mittlerweile jedoch so weit fortgeschritten, dass das Material an seine Grenzen stößt, oder, wie im Fall von Siliziumkarbid, sehr teuer ist. Bessere Materialeigenschaften verspricht Galliumnitrid (GaN). Mit GaN-basierten Bauelementen können Leistungsschalter bei deutlich höheren Frequenzen betrieben werden, ohne signifikante Schaltverluste in Kauf nehmen zu müssen. Grund ist der deutlich geringere Einschaltwiderstand von GaN-Leistungstransistoren, der zusammen mit den signifikant reduzierten Ein- und Ausgangskapazitäten zu einem deutlich verbesserten Schaltverhalten führt. Mit höherer Schaltfrequenz lässt sich zugleich die Größe der passiven Komponenten wie Spulen, Stromwandler und Kondensatoren deutlich reduzieren. Die Transistoren werden auf kostengünstigen Silizium-Substraten aufgebaut, sind somit längerfristig vergleichsweise kostengünstig bei besseren technischen Eigenschaften verbinden.

Das Berliner Ferdinand-Braun-Institut und Infineon Technologies Austria entwickeln im Projekt gemeinsam selbstsperrende GaN-Leistungstransistoren in vertikaler Architektur. Der Aufbau der Transistoren erfolgt vorwiegend auf GaN-auf-Si-Wafern der Firma EpiGaN; zwecks Benchmarking werden Strukturen auf GaN-auf-SiC-Wafern aus dem FBH parallel getestet. Die Prozessmodule aus dem FBH sollen dabei möglichst rasch auf einen massentauglichen Industrieprozess bei Infineon übertragen werden. Auch explorative Konzepte in Richtung neuartiger selbstsperrender GaN-Leistungstransistoren, die etwa bei hohen Temperaturen bis 250 °C arbeiten können, werden untersucht. Vorwiegend die Technische Universität Wien und die Slowakische Akademie der Wissenschaften in Bratislava erarbeiten damit bereits im Projekt die Grundlage für eine künftige Weiterentwicklung der Technologien. Begleitet werden alle Entwicklungsarbeiten durch kontinuierliche intensive Zuverlässigkeits- und Ausfalluntersuchungen. Insbesondere die Universität Padua bringt hier ihre umfassenden Erfahrungen bei Zuverlässigkeitstests von GaN-Bauelementen und Ausfallmechanismen ein.

Parallel zur Bauelementeentwicklung arbeiten die Industriepartner am Transfer der Technologie in eine industrielle Umgebung zur Fertigung großer Stückzahlen: Die belgische Firma EpiGaN konzentriert sich auf 200 mm GaN-auf-Si-Epitaxieentwicklungen, während das deutsche Unternehmen Aixtron seine Epitaxiereaktoren auf den Durchsatz großer Mengen optimiert. Infineon Technologies Austria AG wiederum evaluiert in seiner Prozesslinie die entwickelten Transistorkonzepte und die GaN-auf-Si-Wafer von EpiGaN. Artesyn Austria wird die Leistungsfähigkeit der neu entwickelten Technologie anhand eines hocheffizienten Invertersystems der Kilowatt-Klasse demonstrieren, das beispielsweise in Basisstationen der neuesten Generation für die Mobilkommunikation zum Einsatz kommen soll. Metadaten anzeigen: Autor verbergen | Schlagworte