Leistungshalbleiter aus Galliumnitrid als Beitrag zu mehr Energieeffizienz

Energiesparchips, die auf dem neuen Halbleitermaterial Galliumnitrid (GaN) basieren, entwickeln 26 Partner aus neun europäischen Ländern im Projekt UltimateGaN weiter. Das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS in Halle (Saale) ist einer der Projektpartner und bringt seine Kompetenzen in der Fehlerdiagnostik und bei der Entwicklung von Analyseverfahren ein. Bei einem Treffen in Lausanne stellten die Projektpartner erste Ergebnisse vor.

Die Digitalisierung in Industrie und privaten Haushalten, die Elektrifizierung in der Mobilität und die verstärkte Nutzung von Strom aus erneuerbaren Energien sorgen für einen Bedarf an Leistungshalbleitern, die Strom effizienter als bisherige Lösungen wandeln können. Um diese zu global wettbewerbsfähigen Kosten für eine Vielzahl von Anwendungen bereitstellen zu können, haben sich für UltimateGaN (Research for GaN technologies, devices and applications to address the challenges of the futureGaN roadmap) 26 Partner zu einem der größten europäischen Forschungsprojekte zusammengeschlossen. Sie setzen auf Galliumnitrid (GaN) als neues Halbleitermaterial, um innovative Leistungs- und Hochfrequenzelektronik zu ermöglichen und so die nächste Generation der Energiesparchips zu entwickeln. Die Anwendungsfelder sind vielfältig und umfassen beispielsweise kürzere Ladezeiten für Elektroautos, einen schnelleren Datentransfer zwischen Anlagen, Objekten und Maschinen oder eine effizientere Netzeinspeisung von Strom aus Erneuerbaren Energien.

Das Fraunhofer IMWS bringt dabei seine langjährige Erfahrung in der hochauflösenden Mikrostrukturanalytik und komplexen Fehlerdiagnostik für elektronische Bauteile ein, ebenso seine Kompetenzen in der Entwicklung neuer Untersuchungsverfahren. Die Grundlagen für das im Mai 2019 gestartete Projekt, das eine Laufzeit von drei Jahren hat und von Infineon Austria geleitet wird, wurden im vorangegangenen Forschungsprojekt PowerBase gelegt, an dem das Forscherteam aus Halle ebenfalls bereits beteiligt war.

Die Basisgeneration und die Pilotlinie, die darin entwickelt wurden, werden nun auf ein neues Technologieniveau gehoben. Durch eine weitere Miniaturisierung der Chips, bei höherer Qualität und zu niedrigeren Herstellungskosten, soll das globale Marktpotenzial dieser Technologie weiter ausgeschöpft werden. Neue Materialien wie Galliumnitrid erfordern dabei neue Ansätze der Fehleranalytik, um spezifische Fehlermodi oder Degradationsprozesse erkennen, verstehen und damit abstellen zu können, so Frank Altmann, Leiter des Geschäftsfelds Werkstoffe und Bauelemente der Elektronik.

Der Schlüssel zu effizienteren Bauelementen sind die speziellen Materialeigenschaften von GaN, die höhere Leistungsdichten ermöglichen. Bauteile auf GaN-Basis lassen sich in kleineren und leichteren Bauelementstrukturen umsetzen, die den Strom effizienter schalten sowie höhere Datenübertragungsraten ermöglichen. Stromverluste werden bis zur Hälfte reduziert. »Die hohen elektrischen Feldstärken sowie Strom- und Leistungsdichten in sehr kompakten Bauelementen sind dabei besonders herausfordernd«, sagt Altmann. Deshalb werden in Ultimate GaN die Kompetenzen vieler Partner gebündelt, wodurch die gesamte Wertschöpfungskette abgebildet werden kann, von der Prozessentwicklung über Design, Aufbau- und Verbindungstechnologien bis hin zur integrierten Systemlösung.

Die Aktivitäten des Fraunhofer IMWS konzentrieren sich auf die Strukturcharakterisierung und hochauflösende Fehleranalytik lateraler und vertikaler GaN-Architekturen und leisten einen Beitrag zu einem tieferen Verständnis der auftretenden Fehlermodi und Degradationsmechanismen. Dazu gehören die Charakterisierung von Grenzflächeneigenschaften am Gate und Ohm-Kontakt und zwischen GaN-Stack und Passivierung, die Entwicklung speziell angepasster Analysemethoden für die Lokalisierung und physikalische Analyse von Defekten sowie die Bestimmung von Defektrisiken beim Drahtbonden über aktiven GaN-Strukturen.

UltimateGaN wird aus Investitionen der Industrie, Förderungen der einzelnen beteiligten Länder sowie dem ECSEL Joint Undertaking (Electronic Components and Systems for European Leadership) finanziert.

https://www.imws.fraunhofer.de