UltimateGaN

PROJEKTZIELE

Viele der Herausforderungen, mit denen unsere Gesellschaft heutzutage konfrontiert ist, können durch die Digitalisierung und ihr zugrunde liegenden Technologien gelöst werden. Die digitale Transformation wird hauptsächlich durch elektronische Bauteile und Systeme ermöglicht, die in Anwendungen, Information Highways und Rechenzentren verwendet werden. Diese Information Highways und Rechenzentren, die durch elektrische Energie angetrieben werden, bilden das Grundgerüst der gesamten Digitalisierung (5G). Durch die ständig größer werdende Nachfrage nach Datenverkehr, -speicherung und -verarbeitung ist eine höhere Energieeffizienz unerlässlich. Dies gilt ebenso für die Energieumwandlung im Sinne von Smart Grids und Smart Mobility.

Wann immer Halbleiterbausteine aus Silizium (Si) an ihre Grenzen stoßen, dann sind Leistungshalbleiter aus Galliumnitrid (GaN) eine vielversprechende Alternative. Diese ermöglichen weitaus höhere Schaltfrequenzen und sind in der Energieumwandlung am effizientesten. Zahlreiche FP7- und H2020-Projekte, darunter beispielsweise das ECSEL-Pilotprojekt „PowerBase“, haben diese Annahmen bestätigt und dienen als Grundlage für die Verfügbarkeit der ersten Generation von europäischen GaN-Geräten. Diese Projekte haben nicht nur gezeigt, dass effizientere und kompaktere Anwendungen mittels GaN-Geräten erreicht werden können, sondern auch, dass GaN-Technologien bisher stark unterschätzt wurden. Dadurch wird klar, dass weitere Forschung an GaN notwendig ist und der Fokus auf Größenreduktion, Kosteneffizienz und Zuverlässigkeit gesetzt werden muss. Hierbei treten folgende Herausforderungen auf:

• Höhere elektrische Felder (Drift-Phänomene beeinflussen die Lebensdauer)
• Höhere Stromdichten (Elektromigration beeinflusst die Lebensdauer)
• Höhere Leistungsdichten (thermische Aspekte schränken das Kompaktheitspotential ein)

Diese Herausforderungen sind problematisch für die nächsten GaN-on-Si Generationen, da sie die Größenverkleinerung von GaN-Geräten behindern. Diese sind aber notwendig, um die Geräte kostengünstiger zu machen und damit ihren potenziellen Anwendungsbereich zu erweitern. Das RIA-Projektvorhaben „UltimateGaN“ soll diese Hürden überwinden. Der Fokus liegt auf der nächsten Generation von GaN-Technologien und es wird an sechs großen Zielen entlang der gesamten vertikalen Wertschöpfungskette von Leistungselektronik und Hochfrequenz (HF) gearbeitet:

• Forschung an vertikalen GaN-Energie-Prozessen und Geräten, deren Leistung über den aktuellen Stand der Technik hinaus gesteigert wird
• Forschung an lateralen GaN-Technologien und Geräten, um die beste Leistungsdichte und Effizienz zu erreichen und gleichzeitig das Kosten-Leistungs-Verhältnis zu optimieren
• Annäherung von GaN-on-Si Hochfrequenzleistungen an GaN-on-SiC (Siliziumkarbid), um ein kostengünstigeres 5G-Rollout zu ermöglichen
• Überwindung der Grenzen im Gehäuse (Größe, elektrische und thermische Einschränkungen) für leistungsstarke GaN-Energieprodukte
• Schließen der Lücke von Zuverlässigkeit und Fehlerdichte für die innovativsten GaN-Geräte
• Demonstration europäischer Führungskraft im Bereich von Leistungselektronik und Hochfrequenzanwendungen

Die ersten drei Punkte zielen darauf ab, die Grenzen von GaN-Technologien mittels alternativer Geräte- und Prozesskonzepten zu erforschen. Das vierte Ziel beschäftigt sich mit der Tatsache, dass eine hervorragende Halbleiterleistung von GaN nur dann erbracht werden kann, wenn Fertigung/Verpackung, Querverbindungen und das gesteigerte thermische Management in einem ganzheitlichen Ansatz optimiert werden. Denn nach heutigem Stand sind Gehäuse noch nicht bereit, die einzigartige Leistung von GaN-Geräten voll zu nützen und es bedarf daher weiteren Untersuchungen.   

Gitterfehler stellen eine der größten Hürden in Bezug auf Gewinn und Zuverlässigkeit von konkurrierenden Silizium-basierenden Technologien dar, besonders wenn sie an der GaN-on-Si Oberfläche auftreten. Daher ist es ein weiters Ziel von UltimateGaN diese Defekte in der nächsten Generation von GaN-on-Si Geräten zu vermeiden.

Die Ergebnisse von jenen Zielen, die sich mit der Technology und dem Gehäuse beschäftigen, werden schließlich im Zug des letzten Ziels aufgearbeitet, welches sich mit Anwendungen dieser leistungsstarken Geräte beschäftigt. Zu diesen Anwendungen zählen unter anderem:

• Extrem effiziente Server-Netzteile, die einen geringen Energieverbrauch in Rechenzentren ermöglichen (5G: Rückgrat der Digitalisierung)
• Benchmarking von photovoltaischen Wechselrichtern in Bezug auf Effizienz und Größe, um die Verwendung von erneuerbaren Energien zu fördern (Smart Grids: Rückgrat der Energie)
• Kostengünstige 5G-Verstärker bis zur mm-Welle, um eine schnelleres 5G-Rollout zu gewährleisten (5G: Rückgrat der Digitalisierung)
• GaN-unterstütze ultraschnelle LIDAR Schaltanwendung, um autonomes Fahren zu ermöglichen (Smart Mobility)
• Höchsteffiziente μ-Grid-Wechselrichter und On-Board Charger (Smart Grids, Smart Mobility)

Das Projekt UltimateGaN wird höchste Effizienz in den speziellen Bereichen der ausgewählten Anwendungen ermöglichen und zu einer wesentlichen Reduktion des CO2-Fußabrucks von Digitalisierung, Smart Grids und Smart Mobility beitragen. Um Europas Rolle in der Zukunft des GaN-Business zu stärken, müssen erhebliche Anstrengungen unternommen werden, eine kostengünstige nächste Generation von GaN-on-Si Transistoren zu realisieren. Da auch US-amerikanische und asiatische Firmen stark in diese Richtung investieren, ist es von größter Wichtigkeit für Europa, Fortschritte in den nächsten Technologiegenerationen zu erzielen.