Vertigo - Vertikale GaN-Transistoren für effiziente Leistungselektronik im Niederspannungsbereich

Kurzzusammenfassung

Der steigende weltweite Bedarf an moderner Informationstechnologie und Mobilität erfordert dringend einen effizienteren Umgang mit den benötigten Energieressourcen.

Aktuell steigen die Betriebskosten von Rechenzentren drastisch aufgrund der immens wachsenden Nutzung von sogenannten „Cloud-Servern“ für BigData- und Industrie 4.0-Anwendungen. Informations- und Kommunikationstechnologien verbrauchen laut einer Studie für das Bundeswirtschaftsministerium bereits heute 10% des Gesamtstrombedarfs, es wird mit einer Steigerung von 20% bis 2020 gerechnet. Die Um­wandlung von elek­trischer Energie, besonders bei sogenannten Point-of-Load-Wandlern im Nieder­span­nungs­­bereich unter 200 V, ist einer der Kostentreiber im IT-Bereich und ein ent­schei­dender Umweltfaktor im Betrieb von Rechenzentren für Cloud Computing.

Die gesetzliche Vorgabe, die CO2-Emissionen zu senken, stellt auch Automobilhersteller vor große Herausforderungen. Die Ziele lassen sich nur durch den Einsatz von hybriden oder voll­elektrischen Antriebskonzepten umsetzen. Die Einführung leistungsstarker 48 V-Bordnetze gilt als Schlüssel­technologie und verspricht CO2-Einsparungen bis zu 15% bei  gleichzeitiger Performancesteigerung. Effizienz, Bauvolumen und Gewicht von Kern­kom­po­­nenten wie Start-Stopp-Funktionen, elektrischen Aggregaten, Assistenz­systemen und bi­dire­k­tio­nalem Spannungswandler für Antrieb und Energierückgewinnung sind maßgeb­lich durch die elektrischen Eigenschaften der verwendeten Halbleiter­bau­­elemente bestimmt.

Ziele

Ziel der MAVO „VERTIGO“ ist daher die Entwicklung völlig neuer, massenmarkttauglicher und hocheffizienter vertikaler Bauelemente für Spannungswandler im Niedervolt­bereich. Damit sollen die Verluste bei der Spannungs­wandlung um über 50% reduziert werden. Dieses Ziel soll durch neue Ansätze im Halbleitermaterial, der Bauelement­technologie und bei der Integration im Packaging erreicht werden. Das Potential des neuen Bauelements wird in einer System­­an­wendung demonstriert. Die herkömmlichen, technisch bereits voll ausge­reizten Si-Transis­toren werden durch den hier zu realisierenden innovativen verti­ka­len GaN-MOSFET ersetzt. Das neue Bauelement bietet intrinsische Effizienzvorteile durch deut­lich niedrigere Verluste. Die Bau­ele­ment­­kosten (günstige 8-Zoll Fertigung in CMOS-Linie) haben das Potential in Zukunft zur Silizium-Technologie aufzuschließen. Darüber hinaus sollen durch den Ein­satz moder­ner Wandlertopologien Leistungsverluste weiter reduziert werden. Konven­tio­nelle zwei­stufige Topologien können durch eine effizientere einstufige Wand­lung abge­löst werden. Durch geringere Schalt­verluste mit kleineren Energie­spei­chern können die Sys­teme kompakter, kostengünstiger und ressourcenschonender realisiert werden.

Durch einen Vergleich von kostengünstigen großflächigen 8-Zoll GaN-auf-Si- mit sehr hoch­­wer­ti­gen, jedoch kleinen 2-Zoll GaN-auf-GaN-Wafern kann der Einfluss der mit einer Hete­ro­­epitaxie ver­bundenen Defekte auf die Bauelementeigenschaften untersucht und die kom­mer­­zielle Tauglichkeit auch für deutlich höhere Spannungen im kV-Bereich bewertet werden.

Die angestrebten Ziele sind im internationalen Vergleich als ambitioniert zu erachten. Die wissenschaftlichen und technischen Erfolgsaussichten sind dennoch als realistisch anzusehen. Um derartige Bauelemente und Systeme herstellen zu können, sind Kom­pe­tenzen in mehreren Bereichen notwendig, die kohärent gebündelt werden. Das gewählte Konsortium bildet diese Kompetenzen hervorragend ab: Herstellung der Materialien, Halbleiter-Technologie, Aufbau und Verbindungstechnik sowie System­demonstratoren.

Projektpartner

Fraunhofer IAF

Fraunhofer ISIT 

Fraunhofer IISB

Fraunhofer THM

Laufzeit

2017 - 2020