Zum Erreichen dieser gesellschaftlichen Mega-Ziele sind hoch effiziente leistungselektronische Energiewandler unabdingbar. Die Leistungselektronik zählt deshalb zweifellos zu den Schlüsseltechnologien der Zukunft. Allerdings stößt die jahrzehntelang vorherrschende Siliziumtechnologie immer häufiger an ihre physikalischen Leistungsgrenzen. Sie vermag zum Beispiel die im Automobil erforderlichen Leistungsdichten nicht mehr zu erzielen. Aus diesem Grund wendet sich die Fachwelt bei anspruchsvollen Aufgabenstellungen den so genannten „Halbleitermaterialen mit großem Bandabstand“ (Wide Band Gap, kurz WBG) zu, vor allem Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN). Darin erkennen die Fachleute viel Potenzial, auch wenn von einer echten Revolution, trotz einer vielversprechend besseren Leistung, kaum die Rede sein kann. Europa hat die hohe Bedeutung der Leistungselektronik längst erkannt und eine ganze Reihe von Forschungsinitiativen und -kooperationen in Gang gesetzt, um bei den zukunftsträchtigen WBG-Halbleitern mit an vorderster Front und damit strategisch unabhängig zu bleiben. Zum Beispiel will bei „Last Power“ (Large Area Silicon Carbide Substrates and HeTeroepitaxial GaN for POWER Device Applications) das internationale Konsortium, angeführt von STMicroelectronics, unter anderem Hochleistungskomponenten präsentieren, deren Eigenschaften von Silizium nicht zu erreichen sind, so 1.200-V-/100-A-SiC-MOSFETs, SiC-JFETs bis 250 °C und GaN-HEMT-Bausteine als Leistungsschalter. Oder das vom BMBF geförderte Projekt „Neuland“ (Neuartige Leistungs-Bauelemente mit hoher Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit auf Basis von Verbindungshalbleitern mit großer Bandlücke), das unter Leitung von Infineon bis Mitte 2013 läuft. Ziel ist hier, mit neuartigen SiC- und GaN-on-Si-Bauelementen die Verluste beispielsweise in Photovoltaik-Invertern bei der Einspeisung ins Stromnetz um bis 50 Prozent zu reduzieren, und zwar bei vergleichbaren Kosten der Anlagen.
* Mitsubishi Electric
Erst Dioden, jetzt Transistoren
Nach den schon seit einigen Jahren bekannten Schottky-Barrier-Dioden in SiC-Technik folgen nunmehr Zug um Zug Transistorneuheiten in GaN und SiC, die freilich bislang nur in einigen wenigen Schlüsselbereichen das etablierte Silizium verdrängen können. Die jahrzehntelange WBG-Forschung bei Spezialisten und Generalisten, neuerdings durchaus auch in China und Russland, trägt langsam Früchte. Produkte drängen auf den Markt oder stehen kurz vor der Einführung. Sie werden indessen, in erster Linie aus Kostengründen, auch auf längere Sicht nur einen bescheidenen Anteil von rund einem Prozent am Gesamtumsatz der Leistungselektronik (rund 14 Milliarden Dollar) erobern können. Die größere Bandlücke zwischen Leitungs- und Valenzband bei GaN und SiC, die rund dreimal so groß ist wie die 1,12eV des Si, erlaubt höhere Sperrschichttemperaturen und -spannungen bei besserer Wärmeleitfähigkeit. Das soll im Idealfall zu einer signifikanten Leistungssteigerung führen, verbunden mit spürbar geringerem Energieverbrauch, Gewicht und Platzbedarf. Diese Halbleitermaterialien zeichnen sich durch eine verringerte Trägerkonzentration bei hohen Betriebstemperaturen sowie einen bis 100-fach reduzierten Leckstrom aus. Darauf warten unter anderem sowohl Elektrofahrzeuge und Solarwechselrichter als auch High-End-Server dringend. Wie erwähnt, haben die von SiC-Bausteinherstellern eingesetzten Dioden den Transistoren den Weg geebnet. SiC-600-V-Schottkydioden haben sich in Server-Stromversorgungen bestens bewährt, genau wie 1.200-V-Ausführungen in Solarwechselrichtern. Mittlerweile erobert die Technologie Telekom-Stromversorgungen und USV sowie die Bereiche Luft- und Raumfahrt sowie die geologische Exploration. Nach der ausgiebigen Bewährungsphase setzen diese Bereiche weitere Zukunftshoffnungen auf ein breiteres Angebot an SiC-Bauelementen, vor allem auch Schalter. Es ist letztlich nicht die Frage, wer gerade die Nase vorn hat – SiC oder GaN –, sondern was für welche Zwecke am schnellsten Marktreife erlangt und in den angepeilten Applikationen die angestrebten Vorteile bringt. Letzten Endes ist also nicht die Materialfrage entscheidend, sondern die eleganteste Umsetzung der geforderten Funktionalität in einem akzeptablen Kosten-Leistungs-Verhältnis. Meist in Neuentwicklungen, denn einen Einsteckersatz für Entwicklungen auf Siliziumbasis werden die WBG-Halbleiter nicht darstellen. In SiC-Technik werden jetzt JFETs, N-Kanal-MOSFETs bis 1.700 V, bipolare Sperrschichttransistoren (BJTs) und vor allem Power-Module bemustert. Die Sprödigkeit des Materials beginnt man in den Griff zu bekommen, und mit dem Übergang von 4- auf 6-Zoll-Wafer nähern sich auch die Kosten einem akzeptablen Niveau. Infineon hält JFETs verglichen mit MOSFETs für geeigneter, als wirtschaftlicher SiC-Schalter eingesetzt zu werden, und stellte im Mai auf der PCIM in Nürnberg direkt angesteuerte 600-V- und 1.200-V-SiC-JFETs vor. Das Münchner Unternehmen sieht hier den besten Kompromiss zwischen Leistung, Kosten und Zuverlässigkeit, vor allem, weil man bei MOSFETs derzeit noch nicht an höhere Sperrschichttemperaturen (wegen schlechterer Vorwärtssteilheit und der damit verbundenen Einschaltverluste) denken kann.
Leistung erhöhen, Kosten reduzieren
Bei GaN besticht die höhere Schaltfrequenz, die niedrigere Erholungsladung und die höhere zulässige Sperrschichttemperatur, die Einsparpotenziale von über 50 Prozent gewährleisten sollen. Cree hat Anfang dieses Jahres einen 1.200-V-SiC-MOSFET vorgestellt, mit dem sich etwa der Wirkungsgrad einer Stromversorgung von signifikant steigern lässt – bereits vor mehr als zwei Jahren steigerte das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE den bisherigen Höchstwert bei Photovoltaik-Wechselrichtern von 96 auf rekordverdächtige 98,5Prozent. Das führte zu einer Senkung der Verlustleistung auf die Hälfte.Der GaN-Bereich soll der Studie der französischen Marktforscher von Yole Développement zufolge bis 2013 richtig Fahrt aufnehmen und 50 Millionen US-Dollar umsetzen, die sich bis 2015 dann auf 350 Millionen vervielfachen. GaN-Schalter bis 600 V sind doppelt so preisgünstig wie SiC-Schalter (freilich immer noch dreimal so teuer wie herkömmliche Siliziumlösungen). Erste GaN-Produkte wurden von International Rectifier (IR) und EPC im Niedervoltbereich eingeführt, und IR will Ende des Jahres einen 600-V-GaN-on-Si-Baustein vorstellen. Das Unternehmen arbeitet bereits seit sieben Jahren an ihrer „GaNpowIR“-Plattform und konzentriert sich auf Applikationen im Bereich von 20 bis 1.200 V. GaN soll hier die leistungsstärkere Technologie sein. Mittlerweile jedoch haben auch zahlreiche andere Unternehmen, darunter STM und Infineon, erste Produkte in der Pipeline. Nach Expertenmeinung wird in fünf bis sieben Jahren ein GaN-MOSFET das Niveau einer Si-Ausführung erreicht haben, weil sich zu seiner Herstellung fast dieselben Geräte einsetzen lassen wie für einen Si-MOSFET.
Marktdurchdringung braucht Zeit
Noch sind Wide-Band-Gap-Transistoren mit Stückpreisen zwischen 30 und 70 US-Dollar zu teuer und deshalb nur in extremen Einsatzgebieten wirtschaftlich einsetzbar. Doch wird die Kombination einer ständig wachsenden Zahl von Playern im Markt mit rasch zunehmenden Stückzahlen schließlich die Kosten auf ein Niveau führen, auf dem es für Kunden sinnvoller ist, von Silizium-IGBTs und -MOSFETs auf SiC oder GaN umzusteigen. Die Durchdringung neuer Applikationsgebiete braucht Zeit. Bei SiC kamen die ersten Dioden um 2000 auf den Markt, und erst jetzt, zehn Jahre später, werden aktive Schaltbausteine eingeführt. Doch es lohnt sich, und steigende Ansprüche werden in Top-Level-Anwendungen die Verdrängung des Siliziums über die Jahre unterstützen.
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