Forschungsprojekt »NeuLand« Mit SiC und GaN Verluste halbieren

Neue Halbleitermaterialien, die Partner aus der Halbleiter- und Solarindustrie im Forschungsprojekt »NeuLand« untersucht haben, könnten Solarwechselrichter kompakter und kostengünstiger werden; außerdem könnten Schaltnetzteile für PCs, Flachbildfernseher, Server und Telekommunikationsanlagen zukünftig 50 Prozent weniger Energieverluste aufweisen.
Neue Halbleitermaterialien, die Partner aus der Halbleiter- und Solarindustrie im Forschungsprojekt »NeuLand« untersucht haben, könnten Solarwechselrichter kompakter und kostengünstiger werden; außerdem könnten Schaltnetzteile für PCs, Flachbildfernseher, Server und Telekommunikationsanlagen zukünftig 50 Prozent weniger Energieverluste aufweisen.

Durch das Projekt »NeuLand« möchten Forscher von Aixtron, Infineon, SiCrystal und SMA Solar die Energieverluste bei den Erneuerbare Energien sowie in Telekommunikations- und Beleuchtungssystemen halbieren. Der Schlüssel dazu sind Verbindungshalbleiter mit großer Bandlücke – wie SiC und GaN.

Schaltnetzteile für PCs, Flachbildfernseher, Server und Telekommunikationsanlagen könnten zukünftig 50 Prozent weniger Energieverluste aufweisen und Solarwechselrichter könnten kompakter und kostengünstiger werden. Dies ermöglichen neue Halbleitermaterialien, die Partner aus der Halbleiter- und Solarindustrie im Forschungsprojekt »NeuLand« (Neuartige Leistungsbauelemente mit hoher Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit auf der Basis von Verbindungshalbleitern mit großer Bandlücke) untersucht haben. Gemeinsam haben die Unternehmen hochintegrierte Bauelemente und elektronische Schaltungen entwickelt, mit denen sich noch während der laufenden Forschungsaktivitäten die Energieverluste von Leistungselektroniksystemen in Versuchen bereits um 35 Prozent senken ließen.

Der Schlüssel zur Halbierung der Energieverluste sind die Halbleitermaterialien Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid auf Silizium (GaN-on-Si), die aufgrund ihrer Eigenschaften kompakte und effiziente Leistungselektronikschaltungen ermöglichen. Heute verwendet Infineon das Material SiC bereits in Schalterbauelementen (JFETs) und in Dioden für die Spannungsklassen von 600 V bis 1700 V. Diese Bauelemente werden vor allem in Netzteilen für PCs oder Fernseher und in Motorantrieben verwendet. Große Bedeutung könnten sie zukünftig auch für Solarwechselrichter erlangen.

SiC weiter verbilligen, an GaN weiter forschen

Vor NeuLand war SiC ein sehr teures Wafermaterial. Dank der Projektergebnisse ist die Anzahl geeigneter Anbieter und möglicher Anwendungen gewachsen. Die Partner konnten zeigen, dass sich die Effizienz von Leistungselektronik mit SiC- und GaN-basierten Bauelementen um mehr als ein Drittel steigern lässt. Solarwechselrichter beispielsweise können bei gleichem Wirkungsgrad von deutlichen Materialeinsparungen profitieren und somit kostengünstiger werden. Ergebnisse sind jedoch auch, dass die SiC-Bauelementekosten für einen großflächigen Einsatz in Solarwechselrichtern noch weiter sinken müssen und dass für GaN-basierte Bauelemente noch weitere intensive Forschung zu Zuverlässigkeit, Lebensdauer und Kosten notwendig ist.

Als Anlagenhersteller für die Halbleiterfertigung war Aixtron in NeuLand vertreten, Partner im Bereich SiC-Waferherstellung war das Unternehmen SiCrystal. Der Halbleiterhersteller Infineon forschte an den Bauelementkonzepten sowie an den Verfahrensschritten zur Herstellung der SiC- und GaN-Bauelemente. Die Systemtechnikkompetenz im Solarbereich kam vom Unternehmen SMA Solar Technology. Die Projektpartner konnten mit NeuLand ihre Kompetenz zu den Zukunftstechnologien SiC und GaN über einen sehr großen Bereich der Wertschöpfungskette weiter ausbauen.

Das Verbundprojekt NeuLand wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Programms »IKT 2020 – Forschung für Innovationen« über drei Jahre mit insgesamt etwa 4,7 Millionen Euro gefördert. Die Projektleitung lag bei Infineon Technologies. Ziel von IKT 2020 ist es, die technologische Spitzenstellung Deutschlands in der Elektronik zu stärken.