Forschung -

Leistungstransistoren auf Basis von Aluminiumnitrid

Hocheffiziente Leistungshalbleiter sind Voraussetzung für vielfältige Anwendungen – von der Elektromobilität bis hin zur künstlichen Intelligenz. In einem Forschungsprojekt soll Aluminiumnitrid als Halbleitermaterial für Leistungsschalter entwickelt, an geeigneten Bauelementen getestet und für zukünftige Anwendungen in Systemen qualifiziert werden.

Allein in Europa gehen bei der Umwandlung elektrischer Energie jährlich schätzungsweise mehr als 3 TWh in Form von Wärme verloren – die Elektrizitätsmenge, die ein mittleres Kohlekraftwerk produziert. Die effiziente Wandlung von Energie wird damit zum Schlüssel für Anwendungen in Industrie 4.0, KI und dem Internet der Dinge. Das kürzlich gestartete Verbundprojekt Leistungstransistoren auf Basis von AlN (ForMikro-LeitBAN), das vom Ferdinand-Braun-Institut (Teil des Forschungsverbunds Berlin) koordiniert wird, erforscht technologische Maßnahmen zur Effizienzsteigerung, um Ressourcen zu schonen. Voraussetzung dafür sind effizient schaltende Leistungshalbleiter, die eine hohe Energiedichte ermöglichen.

Statische und dynamische Verlustleistungen, bestimmt durch das jeweilige Halbleitermaterial, begrenzen die Effizienz von Systemen. Mit gängigen Leistungsbauelementen auf Siliziumbasis wird es immer schwieriger, die Effizienz von elektrischen Umrichtern und Leistungsverstärkern zu steigern. Daher müssen andere 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 Siliziumbauelementen einen bis zu 10 000-mal geringeren Durchlassverlust. Es zeichnet sich zudem durch eine sehr hohe Durchbruchsspannungsfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit aus – ideale Voraussetzungen für Leistungshalbleiter mit hoher Energiedichte und Effizienz. Freistehende isolierende AlN-Wafer sollen als Materialbasis eingesetzt und qualifiziert werden. Gegenüber einer AlN-Epitaxie auf Fremdsubstraten wie Siliziumkarbid kann die Versetzungsdichte um fünf Größenordnungen reduziert werden. Das bietet das Potenzial für schnell und effizient schaltende Bauelemente bei gleichzeitig hoher Zuverlässigkeit.

Die neuartigen AlN-Bauelemente bauen konzeptionell auf der gut erforschten GaN-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 Millimeterwellenanwendungen 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: Infineon für die Leistungselektronik, UMS für die Millimeterwellen-Technik und III/V-Reclaim für die Wiederverwertung der AlN-Wafer.

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