Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Das Stromnetz lernt Energiesparen – SiC-WinS erforscht Herstellung von SiC-Hochvoltbauelementen

12.03.2013
Bei Solaranlagen und Serveranwendungen sind energiesparende Wechselrichter bzw. Netzteile mit Halbleiterbauelementen aus Siliziumkarbid (SiC) schon Stand der Technik.

Auch Windkraftanlagen und das intelligente Stromnetz der Zukunft (Smart Grid) könnten durch Hochvoltbauelemente aus SiC deutlich energieeffizienter arbeiten. Im Projekt „SiC-WinS – Technologische Grundlagen zur Herstellung von SiC-Spannungswandlern für intelligente Stromnetze“ erforschen Partner aus Wissenschaft und Industrie in Erlangen preiswertere Herstellungstechnologien für SiC-Bauelemente und wie sich die Zuverlässigkeit der Bauelemente bis zur „Null-Fehler-Toleranz“ verbessern lässt. SiC-WinS wird von der BFS gefördert.


FuE-Reaktor am Fraunhofer IISB zur Herstellung von SiC-Epitaxieschichten
Fraunhofer IISB / Kurt Fuchs

Bei der Einbindung regenerativer Energiequellen in das Stromnetz spielen leistungselektronische Systeme in Form von Wechselrichtern eine immer größere Rolle. Um die regenerativ erzeugte Energie möglichst verlustarm einzuspeisen, werden speziell im Mittelspannungsbereich (10 kV bis 13 kV) neue Umrichter benötigt. Aufgrund der besseren physikalischen Eigenschaften könnten in diesen Systemen zukünftig Hochvoltbauelemente aus dem Halbleitermaterial SiC die etablierten Siliziumbauelemente ersetzen.

Durch SiC-Leistungsbauelemente lassen sich z.B. Komponenten für die Kühlung einsparen und Schaltungen effizienter, kostengünstiger und kompakter aufbauen. Der Einsatz im Stromnetz stellt allerdings extreme Anforderungen an die Zuverlässigkeit und an die Leistungsfähigkeit der verwendeten Bauelemente. Das gilt auch für die relativ neuen Hochvoltbauelemente auf Basis von Siliziumkarbid.

Im Projekt „SiC-WinS – Technologische Grundlagen zur Herstellung von SiC-Spannungswandlern für intelligente Stromnetze“ werden deshalb die Herstellungsprozesse erforscht, um auch bei SiC-Bauelementen für Sperrspannungsklassen bis maximal 13 kV höchste Zuverlässigkeit im Sinne einer „Null-Fehler-Toleranz“ zu gewährleisten. Beispielsweise zur Herstellung so genannter PIN-Dioden auf SiC-Basis – wichtig für die Konstruktion hoch effizienter Schaltwandler – sind aber noch einige grundsätzliche technologische Prozesse sowie Prüf- und Analyseverfahren zu entwickeln.

Die in Erlangen ansässigen Projektpartner Fraunhofer IISB, Intego GmbH, Infineon Technologies AG und der Lehrstuhl für Angewandte Physik der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) erforschen deshalb die Herstellung dicker SiC-Epitaxieschichten, die für diese SiC-Hochvoltbauelemente benötigt werden. Ziel des Projekts ist es, die Produktionskosten für diese Bauelemente erheblich zu senken und gleichzeitig die elektrischen und strukturellen Eigenschaften der Schichten zu verbessern. SiC-WinS wird von der Bayerischen Forschungsstiftung (BFS) gefördert und hat eine Laufzeit von drei Jahren.

Mit der Förderung durch die BFS soll es den Forschern gelingen, durch Zugabe von Chlorwasserstoff (HCl) die für die Bauelemente benötigten dicken SiC-Schichten schneller und mit besserer Qualität abscheiden zu können. Diese Schichten werden in einem Reaktor bei Temperaturen von über 1550°C durch eine chemische Reaktion von gasförmigem Propan und Silan auf einem SiC-Wafer hergestellt. Die adressierten Sperrspannungsklassen bis 13kV benötigen Schichten mit Dicken von bis zu 100 µm und einer hohen Ladungsträgerlebensdauer.

Normalerweise beträgt die Wachstumsrate dieser Schichten lediglich 10-20 µm pro Stunde. Der Prozess dauert also für die dicken Schichten etwa 5 bis 10 Stunden und ist damit extrem kostenintensiv. So hat die Epitaxie einen Anteil von etwa 60 % an den gesamten Herstellungskosten der Bauelemente. Aus verfahrenstechnischen Gründen ist eine Steigerung der Wachstumsrate bei der konventionellen Epitaxie aber nicht so einfach möglich. Für eine wirksame Kostenreduktion sind also innovative Epitaxie-Prozesse gefragt.

Im Rahmen des SiC-WinS-Projektes wird die Epitaxie durch den Zusatz von Chlorwasserstoff (HCl) weiterentwickelt. HCl soll die chemische Spaltung von Propan und Silan fördern und damit höhere Wachstumsraten ermöglichen. Gleichzeitig wird durch die ätzende Wirkung des HCls die Abscheidung von parasitärem SiC an den Reaktorinneneinbauten reduziert.

Dadurch verringert sich der Aufwand für die regelmäßig notwendigen Reinigungen und das Risiko des Einwachsens parasitärer SiC-Partikel in die Schicht wird minimiert. Schließlich soll der HCl-Zusatz zu einer Absenkung der so genannten Hintergrund-Dotierung und zu einer Reduktion elektrisch aktiver Defekte führen. Mit der Technologie lassen sich gezielt Schichten mit sehr niedriger Dotierung und hoher Ladungsträgerlebensdauer herstellen, wie sie für die hoch sperrenden Bauelemente benötigt werden.

Außerdem soll ein schnelles, zerstörungsfreies Prüfverfahren entwickelt werden, mit dem sich Materialfehler auf SiC-Wafern zuverlässig erkennen lassen. Diese Materialfehler können bereits im SiC-Halbleiter¬material vorhanden sein oder während der Bauelementherstellung entstehen und die Langzeitstabilität der Leistungsbauelemente beeinträchtigen. Kritisch sind vor allem spezielle Versetzungstypen im SiC-Kristallgefüge. Bauelemente, die derartige Defekte enthalten, müssen sicher erkannt und aussortiert werden.

Die relevanten Kristallfehler zeigen bei der Beleuchtung mit Laserlicht eine charakteristische Signatur. Bereits während der Herstellung der Bauelemente ließen sich mit diesem Verfahren die unprozessierten oder teilprozessierten SiC-Scheiben untersuchen und selektieren. Das SiC-WinS-Team entwickelt und erprobt dafür einen neuartigen „Defektlumineszenz-Scanner“, der die relevanten Kristallfehler prozessbegleitend und zerstörungsfrei schon auf Wafer-Ebene erkennt.

„Die Weiterentwicklung der Epitaxie und der prozessbegleitenden Qualitätssicherung, wie sie hier im Rahmen des SiC-WinS-Projektes in den nächsten drei Jahren erfolgt, bedarf einer tiefgehenden Kompetenz und Erfahrung auf breit gefächerten Teildisziplinen, welche nur durch eine Kooperation zwischen Wissenschaft und Wirtschaft abgedeckt werden kann“, sagt Dr. Jochen Friedrich, Leiter der Abteilung Kristallzüchtung am Fraunhofer IISB.

Zur Bedeutung des SiC-WinS-Foschungsvorhabens meint Friedrich: „Auf Grund der langjährigen, konsequenten bayerischen und nationalen Förderpolitik nehmen die in Erlangen ansässigen Projektpartner eine internationale Spitzenposition in den Bereichen der SiC-Forschung und Entwicklung ein. Das SiC-WinS-Forschungsvorhaben trägt maßgeblich zu einer Festigung dieser Spitzenposition bei und wird die Kommerzialisierung von SiC voranbringen.“

Ansprechpartner:
Dr. Jochen Friedrich
Fraunhofer IISB, Schottkystraße 10, 91058 Erlangen, Germany
Tel. +49-9131-761-270
Fax +49-9131-761-280
info@iisb.fraunhofer.de
Fraunhofer IISB:
Das 1985 gegründete Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB betreibt angewandte Forschung und Entwicklung auf den Gebieten Leistungselektronik, Mechatronik, Mikro- und Nanoelektronik. Mit seinen Arbeiten zu leistungselektronischen Systemen für Energieeffizienz, Hybrid- und Elektroautomobile sowie zur Technologie-, Geräte- und Materialentwicklungen für die Nanoelektronik genießt das Institut internationale Aufmerksamkeit und Anerkennung. Rund 180 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter arbeiten in der Vertragsforschung für die Industrie und öffentliche Einrichtungen. Neben seinem Hauptsitz in Erlangen hat das IISB zwei weitere Standorte in Nürnberg und Freiberg. Das IISB kooperiert eng mit dem Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg.

Dr. Jochen Friedrich | Fraunhofer-Institut
Weitere Informationen:
http://www.iisb.fraunhofer.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht Daten „fühlen“ mit haptischen Displays
15.11.2018 | Karlsruher Institut für Technologie

nachricht Ein magnetisches Gedächtnis für den Computer
12.11.2018 | Technische Universität Wien

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: InSight: Touchdown auf dem Mars

Am 26. November landet die NASA-Sonde InSight auf dem Mars. Erstmals wird sie die Stärke und Häufigkeit von Marsbeben messen.

Monatelanger Flug durchs All, flammender Abstieg durch die Reibungshitze der Atmosphäre und sanftes Aufsetzen auf der Oberfläche – siebenmal ist das Kunststück...

Im Focus: Weltweit erstmals Entstehung von chemischen Bindungen in Echtzeit beobachtet und simuliert

Einem Team von Physikern unter der Leitung von Prof. Dr. Wolf Gero Schmidt, Universität Paderborn, und Prof. Dr. Martin Wolf, Fritz-Haber-Institut Berlin, ist ein entscheidender Durchbruch gelungen: Sie haben weltweit zum ersten Mal und „in Echtzeit“ die Änderung der Elektronenstruktur während einer chemischen Reaktion beobachtet. Mithilfe umfangreicher Computersimulationen haben die Wissenschaftler die Ursachen und Mechanismen der Elektronenumverteilung aufgeklärt und visualisiert. Ihre Ergebnisse wurden nun in der renommierten, interdisziplinären Fachzeitschrift „Science“ veröffentlicht.

„Chemische Reaktionen sind durch die Bildung bzw. den Bruch chemischer Bindungen zwischen Atomen und den damit verbundenen Änderungen atomarer Abstände...

Im Focus: Rasende Elektronen unter Kontrolle

Die Elektronik zukünftig über Lichtwellen kontrollieren statt Spannungssignalen: Das ist das Ziel von Physikern weltweit. Der Vorteil: Elektromagnetische Wellen des Licht schwingen mit Petahertz-Frequenz. Damit könnten zukünftige Computer eine Million Mal schneller sein als die heutige Generation. Wissenschaftler der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) sind diesem Ziel nun einen Schritt nähergekommen: Ihnen ist es gelungen, Elektronen in Graphen mit ultrakurzen Laserpulsen präzise zu steuern.

Eine Stromregelung in der Elektronik, die millionenfach schneller ist als heutzutage: Davon träumen viele. Schließlich ist die Stromregelung eine der...

Im Focus: UNH scientists help provide first-ever views of elusive energy explosion

Researchers at the University of New Hampshire have captured a difficult-to-view singular event involving "magnetic reconnection"--the process by which sparse particles and energy around Earth collide producing a quick but mighty explosion--in the Earth's magnetotail, the magnetic environment that trails behind the planet.

Magnetic reconnection has remained a bit of a mystery to scientists. They know it exists and have documented the effects that the energy explosions can...

Im Focus: Eine kalte Supererde in unserer Nachbarschaft

Der sechs Lichtjahre entfernte Barnards Stern beherbergt einen Exoplaneten

Einer internationalen Gruppe von Astronomen unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Astronomie in Heidelberg ist es gelungen, beim nur sechs Lichtjahre...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Personalisierte Implantologie – 32. Kongress der DGI

19.11.2018 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz diskutiert digitale Innovationen für die öffentliche Verwaltung

19.11.2018 | Veranstaltungen

Naturkonstanten als Hauptdarsteller

19.11.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Gen-Radiergummi: Neuer Behandlungsansatz bei chronischen Erkrankungen

19.11.2018 | Biowissenschaften Chemie

Mit maschinellen Lernverfahren Anomalien frühzeitig erkennen und Schäden vermeiden

19.11.2018 | Informationstechnologie

Neuer Stall ermöglicht innovative Forschung für tiergerechte Haltungssysteme

19.11.2018 | Agrar- Forstwissenschaften

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics