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.
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
