10.12.2019

Leistungselektronik aus Aluminiumnitrid

Neues Forschungsprojekt lotet das Sparpotenzial des Halbleiters für elektronische Bauteile aus.

Smarte Energie­versorgung, Elektro­mobilität, breitbandige Kommunikations­systeme und Anwendungen der künstlichen Intelligenz – die Anzahl miteinander agierender und vernetzter Systeme wächst stetig. Zugleich ist der schonende Umgang mit Ressourcen eine zentrale gesell­schaftliche Heraus­forderung. Mit immer mehr Systemen und dem zunehmenden Datenverkehr steigt jedoch der Primär­energie­verbrauch. Elektrische Energie muss stets umgewandelt werden, damit sie von den verschiedenen Systemen genutzt werden kann, daher nimmt auch der Bedarf an elektrischer Konversion zu. Die effiziente Wandlung von Energie wird zum Schlüssel für Anwendungen in Industrie 4.0 oder KI. Im Rahmen des Projekts „ForMikro-LeitBAN“ werden nun tech­nologische Maßnahmen entwickelt, mit denen die Effizienz weiter erhöht wird und damit Ressourcen geschont werden. Im Projekt soll Aluminium­nitrid als neues Halbleiter­material für diese Aufgabe entwickelt, an geeigneten Bauelementen getestet und für zukünftige Anwendungen in Systemen quali­fiziert werden. Das Vorhaben wird bis 2023 mit 3,3 Millionen Euro vom Bundes­ministerium für Bildung und Forschung gefördert.

Abb.: Elek­tronischer Verstärker auf der Basis von Gallium­nitrid. Nun soll...
Abb.: Elek­tronischer Verstärker auf der Basis von Gallium­nitrid. Nun soll die Technologie für Millimeter­wellen auf Aluminium­nitrid übertragen werden. (Bild: FBH / schurian.com)

Die Effizienz von Systemen wird durch statische und dynamische Verlust­leistungen von Halbleitern begrenzt. Diese werden durch das jeweilige Material bestimmt. Mit gängigen Leistungs­bauelementen auf Siliziumbasis wird es immer schwerer, die Effizienz von elektrischen Umrichtern und Leistungs­verstärkern zu steigern. Daher müssen neue Halbleiter­materialien mit verbesserten Eigenschaften erforscht und zur Marktreife gebracht werden. Die Projektpartner setzen auf Aluminium­nitrid (AlN). Das für elek­tronische Anwendungen bislang wenig erforschte Halbleitermaterial bietet verglichen mit Silizium-Bauelementen einen bis zu 10.000-mal geringeren Durchlass­verlust. Es zeichnet sich zudem durch eine sehr hohe Durchbruchs­spannungs­festigkeit und Wärmeleit­fähigkeit aus. 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.

Die neuartigen AlN-Bau­elemente bauen konzeptionell auf der gut erforschten Gallium­nitrid-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.

FBH / JOL

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