Insbesondere die Digitalisierung hat einen massiven Anstieg von Anwendungen und elektronischen Geräten und damit auch des Verbrauchs an elektrischer Energie ausgelöst. Für die Sicherstellung der Stromversorgung und einer umweltschonenden hohen Energienutzungseffizienz ist eine intelligente und effiziente Leistungselektronik notwendig. Im Rahmen des Forschungsprojekts "YESvGaN" (Vertical GaN on Silicon: Wide Band Gap Power at Silicon Cost) sollen deshalb hocheffiziente Leistungstransistoren basierend auf einer neuartigen Prozesstechnologie für die industrielle Herstellung in großen Stückzahlen entwickelt werden.

Bei der Entwicklung neuartiger vertikaler Galliumnitrid (GaN)-Leistungstransistoren mit Silizium als Substrat setzt das Konsortium auf die Epitaxie-Expertise von AIXTRON SE (FSE: AIXA, ISIN DE000A0WMPJ6), einem weltweit führenden Anbieter von Depositionsanlagen für die Halbleiterindustrie. Denn für dieses Leistungsbauelement muss das Verbindungshalbleitermaterial Galliumnitrid großflächig in Form von kristallinen Schichten auf einem geeigneten, Substrat wie zum Beispiel einem Silizium-Wafer abgeschieden werden.

Verbindung zwischen Höchstleistung von Halbleitern mit großem Bandabstand und Kostenvorteilen der Silizium-Technologie

"GaN-Leistungstransistoren auf Silizium-Wafern eröffnen uns die faszinierende Möglichkeit, eine um etwa 15% höhere Leistungsdichte bei Galliumnitrid im Vergleich zu Silizium (Si) mit den Kostenvorteilen der etablierten Siliziumtechnologie zu verbinden. Die Leistung soll damit über der moderner SiC-MOSFETs liegen bei Chipkosten, die mit denen von Si-IGBTs konkurrieren", sagt Prof. Dr. Michael Heuken, Vice President Advanced Technologies bei AIXTRON SE.

Möglich wird dies durch die Leistungsvorteile von vertikalen Wide-Band-Gap (WBG)-Transistoren. Diese Eigenschaften erlauben es, dass die Transistoren aus Wide-Band-Gap-Halbleitern wie Galliumnitrid (GaN) leistungsfähiger sind als herkömmliche Silizium-Halbleiter. Die geringeren Energieverluste bei der Schaltung hoher elektrischer Leistungen von bis zu 50% und die niedrigeren Produktionskosten durch den Einsatz von Silizium-Wafern prädestinieren die GaN-Leistungstransistoren für den Einsatz in vielen preissensiblen Anwendungen.

Hohe Energieeffizienz und niedrige CO₂-Emissionen

"Hinzu kommt der Vorteil, dass mit ihnen der Energieverbrauch und die CO₂-Emissionen erheblich gesenkt werden können", fügt Prof. Dr. Michael Heuken hinzu. Das "YESvGaN"-Konsortium schätzt die möglichen Stromeinsparungen durch den konsequenten Einsatz von solchen YESvGaN-Vertikalmembran-GaN-Transistoren in der EU im Jahr 2030 äquivalent der Leistung von sieben Atomkraftwerken oder zehn Kohlekraftwerken ein.

Die Energieeffizienz macht den Einsatz dieser Transistoren insbesondere im Bereich von Rechenzentren mit ihrem hohen Stromverbrauch bis hin zu Traktionswechselrichtern für Elektrofahrzeuge attraktiv. Der Einsatz verlustarmer Leistungselektronik leistet bei der Elektromobilität einen wertvollen Beitrag nicht nur um Energie einzusparen, sondern auch um die Reichweiten von Elektrofahrzeugen zu vergrößern.

Um die Marktdurchdringung von GaN-basierten Bauelementen weiter voranzutreiben, erprobt AIXTRON darüber hinaus im Rahmen des Forschungsprojekts "YESvGaN" das epitaktische Wachstum auf Wafern mit einem Durchmesser von 300 mm – derzeit wird primär die MOCVD-Technologie zum kristallinen Wachstum auf 150 mm- bis 200 mm-Wafern eingesetzt. Für die Abscheidung von GaN-Schichten auf 300 mm-Silizium-Substraten entwickelt der Spezialist für Depositionssysteme auch die dafür notwendige Anlagentechnologie.

"YESvGaN" bündelt die relevanten Kompetenzen entlang der Wertschöpfungskette in einem Konsortium aus Großunternehmen, kleinen und mittelgroßen Unternehmen sowie Instituten aus sieben europäischen Ländern: Partner sind neben AIXTRON SE die Bosch GmbH, die Ferdinand-Braun-Institut gGmbH, das Leibnitz-Institut für Höchstfrequenztechnik, das Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB, die Finepower GmbH, die X-FAB Dresden GmbH & Co. KG, die X-FAB Global Services GmbH, die NanoWired GmbH und die Siltronic AG. Europäische Partner sind Centre national de la recherche scientifique CNRS, Ion Beam Services S.A., STMicroelectronics (Tours) SAS (Frankreich), EpiGan N.V., Universiteit Gent (Belgien), EV Group E. Thallner GmbH, Materials Center Leoben Forschung GmbH (Österreich), Hexagam AB, Linkopings Universitet (Schweden), Smart Induction Converter Technologies S.L., Universitat de València (Spanien), AUREL S.P.A., Consorzio nazionale interuniversitario per la nanoelettronica, Raw Power Srl (Italien).

"YESvGaN" wird von der Europäischen Union (EU) und den Mitgliedstaaten gefördert (Fördernummer 16MEE0178).

Weitere Informationen: YESvGaN und AIXTRON

Zukunftsgerichtete Aussagen

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