Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Effiziente Galliumnitrid-Spannungswandler für Energiesysteme der Zukunft

17.06.2014

Elektronische Bauteile auf Basis von Galliumnitrid sind, aufgrund der physikalischen Eigenschaften des Halbleiters, energieeffizienter, leistungsfähiger und mit weniger Kühlaufwand zu betreiben als die herkömmlich eingesetzten Silizium-Komponenten.

Unter der Projektleitung des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF entwirft eine Forschergruppe nun eine neue Generation von Spannungswandlern: Die verbesserte Galliumnitrid-Technologie verspricht energiesparende, schnell und zuverlässig arbeitende Systeme – auch bei hohen Temperaturen. Mit neuen, kostengünstigen Fertigungstechniken könnten sie bald in die Serienproduktion gehen.


Zukünftig möglich: Induktiv gekoppeltes Plasma basierend auf Galliumnitrid-Elektronik in einer gasdurchströmten Quarzglasröhre zur Werkstoffbearbeitung. TRUMPF Group


Aufbau zur Untersuchung der Schalteigenschaften von GaN-Hochspannungstransistoren.

Fraunhofer IAF

Mit zukunftsweisenden Materialtechnologien soll im Forschungs- und Entwicklungsprojekt »Zukünftige effiziente Energiewandlung mit Galliumnitrid-basierter Leistungselektronik der nächsten Generation« (ZuGaNG) eine neue Produkt-generation für die Leistungselektronik realisiert werden.

Im Rahmen des Projekts entwickeln Wissenschaftler eines Verbunds aus Industrie und Forschung Hochspannungstransistoren auf Basis des leistungsfähigen Halbleiters Galliumnitrid für den Einsatz in Spannungswandlern. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit knapp vier Millionen Euro über die nächsten drei Jahre gefördert und ist Teil der BMBF-Fördermaßnahme »Leistungselektronik zur Energieeffizienz-Steigerung (LES) – Teil 2: Elektronik für die Energie der Zukunft«.

Höhere Leistung und niedrigere Kosten dank Galliumnitrid

Durch die Weiterentwicklung der eingesetzten Technologie wollen die Wissenschaftler sowohl eine erhebliche Steigerung der Energieeffizienz von Spannungswandlern als auch die Einsparung von bis zu 50 % der Herstellungskosten von Galliumnitrid-Leistungstransistoren erreichen. Die Transistoren reduzieren durch ihre hohe Schaltfrequenz die Verluste von Spannungswandlern und arbeiten auch bei hohen Temperaturen effizient.

Physikalische Eigenschaften des Halbleiters Galliumnitrid, wie die hohe Elektronenbeweglichkeit und die kritische Feldstärke, ermöglichen Leistungs-transistoren mit einer höheren Lebensdauer und Robustheit als herkömmlich eingesetzte Silizium-Bauteile. »Durch die hohe Taktfrequenz unserer Transistoren ist außerdem eine Miniaturisierung der Systeme möglich, da wir passive Bauelemente kleiner dimensionieren können«, erläutert Dr. Patrick Waltereit, Projektleiter am Fraunhofer IAF. »So lassen sich das Volumen der Bauteile, der Kühlungsbedarf und die benötigten Module reduzieren, wodurch die Herstellungs- und Betriebskosten sinken.«

Gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Forschung streben die Wissenschaftler des Fraunhofer IAF die Entwicklung neuartiger Konzepte für Design, Materialherstellung und Prozesstechnologie zur Fertigung der Leistungselektronik-Bauelemente an. Erste Demonstratoren sollen schon bald die Leistungsfähigkeit der Spannungswandler beim Einsatz in Heiz-, Fertigungs- und Haushaltstechnik, in der Elektromobilität sowie bei der Gewinnung regenerativer Energien nachweisen.

Zukünftig könnten die Leistungs-transistoren dann in Pumpmotoren von Waschmaschinen oder Heizungen, Ladegeräten für Elektroautos, Generatoren für Plasma- und Lasersysteme, oder in Photovoltaik-Anlagen helfen Energie zu sparen. Neben dem Aufbau von Demonstratoren verfolgen die Projektpartner eine umfassende Charakterisierung der Galliumnitrid-Transistoren, um ein weitgehendes Verständnis der Korrelationen von Herstellung einerseits und strukturellen, elektrischen und thermischen Eigenschaften andererseits zu erreichen. Darüber hinaus soll die Technologie hinsichtlich Zuverlässigkeit und Robustheit optimiert werden, um sie schließlich für die industrielle Fertigung zu qualifizieren.

Innovative Zukunftskonzepte: Galliumnitrid in einer CMOS-Umgebung

Ein innovativer Ansatz zur Senkung der Fertigungskosten besteht in der Eingliederung der Galliumnitrid-basierten Transistoren in CMOS (Complementary metal-oxide semi-conductor)-Fertigungslinien, die eine kostengünstige Serienproduktion erlauben würde. Zudem soll in den kommenden Jahren das besondere Integrationspotential, der hohe Durchsatz und die hervorragende Funktionalität der Silizium-CMOS-Technologie mit der hohen elektrischen Leistungsdichte und Robustheit der Galliumnitrid-Bauelemente kombiniert werden, um die vielversprechenden Möglichkeiten für eine optimierte Leistungselektronik nutzbar zu machen.

Über das Projekt

Ziel des Projekts ZuGaNG ist die Entwicklung einer neuen Generation von Galliumnitrid-basierten Hochspannungstransistoren für die Leistungselektronik, die durch ihre hohe Taktfrequenz die Verlustleistung von Spannungswandlern halbieren und auch bei hohen Spannungen und Temperaturen zuverlässig arbeiten. Mit neuartigen Konzepten für Leistungselektronik-Module und deren Fertigungsprozesse soll eine kostengünstige Produktion der Galliumnitrid-Bauelemente ermöglicht werden.

Unter der Projektleitung des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF arbeiten führende Industrie- und Forschungseinrichtungen im interdisziplinären Verbund zusammen und decken so die gesamte Wertschöpfungskette für eine zukünftige Produktgeneration ab. Beteiligt sind die Robert Bosch GmbH, TRUMPF Hüttinger GmbH, KACO new energy GmbH, X-FAB Semiconductor Foundries AG, Lewicki microelectronic GmbH, EDC Electronic Design Chemnitz GmbH sowie das Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie ISIT, das Ferdinand-Braun-Institut, die Universität Erlangen, die Hochschule Reutlingen und die Universität Magdeburg.

Weitere Informationen:

http://www.iaf.fraunhofer.de/de/news-medien/pressemitteilungen/presse-2014-06-17...

Julia Roeder | Fraunhofer-Institut

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht ALMA beginnt Beobachtung der Sonne
18.01.2017 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

nachricht Magnetische Kraft von einzelnen Antiprotonen mit höchster Genauigkeit bestimmt
18.01.2017 | Max-Planck-Institut für Kernphysik

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Textiler Hochwasserschutz erhöht Sicherheit

Wissenschaftler der TU Chemnitz präsentieren im Februar und März 2017 ein neues temporäres System zum Schutz gegen Hochwasser auf Baumessen in Chemnitz und Dresden

Auch die jüngsten Hochwasserereignisse zeigen, dass vielerorts das natürliche Rückhaltepotential von Uferbereichen schnell erschöpft ist und angrenzende...

Im Focus: Wie Darmbakterien krank machen

HZI-Forscher entschlüsseln Infektionsmechanismen von Yersinien und Immunantworten des Wirts

Yersinien verursachen schwere Darminfektionen. Um ihre Infektionsmechanismen besser zu verstehen, werden Studien mit dem Modellorganismus Yersinia...

Im Focus: How gut bacteria can make us ill

HZI researchers decipher infection mechanisms of Yersinia and immune responses of the host

Yersiniae cause severe intestinal infections. Studies using Yersinia pseudotuberculosis as a model organism aim to elucidate the infection mechanisms of these...

Im Focus: Interfacial Superconductivity: Magnetic and superconducting order revealed simultaneously

Researchers from the University of Hamburg in Germany, in collaboration with colleagues from the University of Aarhus in Denmark, have synthesized a new superconducting material by growing a few layers of an antiferromagnetic transition-metal chalcogenide on a bismuth-based topological insulator, both being non-superconducting materials.

While superconductivity and magnetism are generally believed to be mutually exclusive, surprisingly, in this new material, superconducting correlations...

Im Focus: Erforschung von Elementarteilchen in Materialien

Laseranregung von Semimetallen ermöglicht die Erzeugung neuartiger Quasiteilchen in Festkörpersystemen sowie ultraschnelle Schaltung zwischen verschiedenen Zuständen.

Die Untersuchung der Eigenschaften fundamentaler Teilchen in Festkörpersystemen ist ein vielversprechender Ansatz für die Quantenfeldtheorie. Quasiteilchen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Künftige Rohstoffexperten aus aller Welt in Freiberg zur Winterschule

18.01.2017 | Veranstaltungen

Bundesweiter Astronomietag am 25. März 2017

17.01.2017 | Veranstaltungen

Über intelligente IT-Systeme und große Datenberge

17.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Der erste Blick auf ein einzelnes Protein

18.01.2017 | Biowissenschaften Chemie

Das menschliche Hirn wächst länger und funktionsspezifischer als gedacht

18.01.2017 | Biowissenschaften Chemie

Zur Sicherheit: Rettungsautos unterbrechen Radio

18.01.2017 | Verkehr Logistik