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Forscher entwickeln neues Halbleitermaterial

Leistungselektronik: Was kommt nach Silicium?

| Autor / Redakteur: Jennifer Funk* / Dr. Ilka Ottleben

Abb. 1: Technologien auf Silicium-Basis werden den industriellen Ansprüchen im Bereich der energieeffizienten Leistungselektronik zukünftig nicht mehr gerecht werden.
Abb. 1: Technologien auf Silicium-Basis werden den industriellen Ansprüchen im Bereich der energieeffizienten Leistungselektronik zukünftig nicht mehr gerecht werden. (Bild: ©Mihail - stock.adobe.com)

Ohne Silicium wäre unser Elektronik- und Computerzeitalter nicht denkbar. Und der Markt wächst rasant und fordert immer leistungsstärkere und kleinere Bauteile. Doch allmählich stößt Silicium an seine physikalischen Grenzen. Ein neues Material soll seine Nachfolge übernehmen: Scandiumaluminiumnitrid.

Wir leben im Silicium-Zeitalter. Das Material steckt in jedem gängigen Computerchip, Speicher oder Transistor und prägt durch seine Bedeutung in der Elektronikindustrie auch den Namen unserer heutigen Zeit. Seit über 50 Jahren gibt die siliciumbasierte Mikroelektronik ein in der Industriegeschichte bislang einzigartiges Tempo vor: Alle 24 Monate verdoppelt sich die Zahl der Transistoren auf einem Chip und damit die Rechenleistung der Prozessoren. Dieses Mooresche Gesetz bildet die wesentliche Grundlage der digitalen Revolution und damit auch unserer technischen Möglichkeiten von heute. Parallel dazu wurden auch in der Leistungselektronik, die unsere Computer mit der benötigten elektrischen Energie versorgt, immer kompaktere und effizientere Lösungen auf Si-Basis entwickelt.

Siliciumbasierte Bauteile können weder kleiner noch leistungsstärker werden

Nun aber erreicht die siliciumbasierte Halbleiterelektronik das Ende der bislang ungebremsten Miniaturisierung und der gleichzeitigen Leistungssteigerung. „Die Entwickler sind bei der kleinstmöglichen Abmessung und der größtmöglichen Leistungsdichte von siliciumbasierten Bauteilen angekommen. Noch kompakter und gleichzeitig leistungsstärker geht es nicht“, resümiert Dr.-Ing. Michael Mikulla, Geschäftsfeldleiter Leistungselektronik am Fraunhofer IAF. Doch genau das fordert der Elektronikmarkt, der unaufhaltsam wächst und hohe Anforderungen an zukünftige leistungselektronische Systeme stellt. Folglich: Die Leistungselektronik braucht ein neues Halbleitermaterial.

Der Markt für Leistungselektronik kennt kein Zurück

Verantwortlich für die hohen Ansprüche des Marktes sind nicht nur die Automatisierung und damit einhergehende Digitalisierung in der Industrie, sondern auch unser steigendes Bewusstsein für ökologische Verantwortung und der Wunsch nach einer Senkung des Energieverbrauchs. Alleine der Automobilsektor mit den Trends zur Elektromobilität und zum autonomen Fahren wird in absehbarer Zeit die wichtigste Abnehmerindustrie für leistungselektronische Komponenten. Bereits heute werden etwa 40% der weltweit verbrauchten Energie in Form von elektrischem Strom bereitgestellt. Bis 2050 soll dieser Anteil auf etwa 60% steigen.

Diese gewaltigen Energiemengen müssen nicht nur ressourcen- und umweltschonend erzeugt, sondern auch effizient genutzt werden. Der weltweite Energieverbrauch kann erst dann gesenkt werden, wenn elektronische Systeme mehr leisten und gleichzeitig weniger Energie verbrauchen. Das kann nur mit einer stärkeren Miniaturisierung und einer Steigerung der Energie- und Ressourceneffizienz von leistungselektronischen Systemen erreicht werden.

Doch genau daran scheitert Silicium. Das Halbleitermaterial war neben seinen relativ geringen Kosten und seiner fast perfekten Kristallstruktur auch deswegen jahrzehntelang so erfolgreich, weil seine Bandlücke von 1,1 eV sowohl eine gute Ladungsträgerkonzentration und Geschwindigkeit als auch eine gute Spannungsfestigkeit ermöglicht. „Aber insbesondere in den erreichbaren Betriebsfrequenzen und Durchbruchspannungen sind leistungselektronische Bauelemente aus Silicium gemessen an den industriellen Anforderungen unzureichend“, gibt Mikulla zu bedenken. Diese Entwicklung sei schon seit einiger Zeit absehbar und motiviere die Forscher bei ihrer Suche nach Alternativen.

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Galliumnitrid (GaN) als eine Alternative

Mit dem Einsatz des Halbleiters Galliumnitrid (GaN) in der Leistungselektronik konnten bereits viele Limitierungen der Silicium-Technologie überwunden werden. Bei sehr hohen Spannungen, Temperaturen und Schaltfrequenzen weist GaN eine größere Leistungsfähigkeit als Silicium auf. So ermöglicht der Halbleiter eine signifikant höhere Energieeffizienz und gilt schon seit Längerem als Silicium-Nachfolger bei hohen Ausgangsleistungen. Leistungstransistoren aus GaN beispielsweise verbessern die grundlegenden elektrischen Eigenschaften von energieeffizienten Spannungswandlern: den spezifischen Einschaltwiderstand, die Schaltfrequenz und als Folge davon auch die Energieeffizienz der Spannungswandlung.

Das Fraunhofer IAF entwickelt GaN-basierte Leistungstransistoren, die im Vergleich zu Silicium-Bauelementen im Anwendungsbereich bis 900 V eine Verbesserung des spezifischen Einschaltwiderstands um den Faktor 10 erreichen und damit deutlich geringere Verlustleistungen aufweisen. Zudem bieten GaN-basierte Leistungsbauelemente eine signifikante Steigerung der Schaltfrequenz. Die erste Generation von GaN/Si-basierten Transistoren hat eine Verbesserung von 33% gegenüber modernen Silicium-MOSFETs realisieren können.

Angesichts einer radikalen Verbesserung des Produkts aus Einschaltwiderstand und Gate-Kapazität, der um eine Größenordnung besser ist als bei modernsten Si-Lösungen, verspricht eine GaN-basierte Leistungselektronik einen immensen Fortschritt hinsichtlich kostengünstiger Schaltungen zur energieeffizienten Spannungswandlung. Erste leistungselektronische Komponenten auf Basis von Galliumnitrid sind bereits in kommerziellen Anwendungen im Einsatz.

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