Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM forscht an neuen Leistungshalbleitern
Halbleiter auf Galliumnitrid-Basis können die Energiesparchips der Zukunft werden. Sie wandeln Strom deutlich effizienter um als herkömmliche Chips aus Silizium. Das bietet enorme Potenziale für Smartphones, Laptops, Solarmodule und viele andere Anwendungen. Das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM in Halle trägt im nun gestarteten europäischen ECSEL-Forschungsprojekt PowerBase dazu bei, diese Zukunftstechnologie zur Marktreife zu führen.
Leistungshalbleiter wandeln elektrische Energie, zum Beispiel die Netzspannung aus der Steckdose, im Ladegerät oder im Netzteil auf die Erfordernisse des jeweiligen Geräts um. Mit Galliumnitrid (GaN) als Halbleitermaterial sind höhere Durchbruchs-Feldstärken und schnellere Schaltgeschwindigkeiten möglich als mit Silizium. Die Energieverluste, die meist in Form von Abwärme anfallen, werden so um bis zu 50 Prozent reduziert. Die höhere Leistungsfähigkeit ermöglicht es zudem, Bauteile wie Netzteile und Ladegeräte noch kleiner werden zu lassen. Auch für Beleuchtung und Photovoltaik bietet das Material vielversprechende Möglichkeiten.
Bei der Entwicklung dieser energieeffizienten Halbleitertechnologie zur industriellen Marktreife bringt das Fraunhofer IWM in Halle vor allem seine Expertise in der Diagnostik ein. „Galliumnitrid bietet enorme Potenziale für die Leistungselektronik. Es sind aber noch viele Aufgaben zu lösen, um diese innovativen Halbleiterbauelemente zukünftig im industriellen Maßstab mit der nötigen Qualität und Langlebigkeit produzieren zu können“, sagt Matthias Petzold, Leiter des Fraunhofer- Centers für Angewandte Mikrostrukturdiagnostik CAM, das zum Fraunhofer IWM gehört. „Wir freuen uns, gemeinsam mit Infineon und weiteren hochkarätigen europäischen Partnern im Projekt PowerBase an dieser Aufgabe mitzuarbeiten. Mit unserer Erfahrung und Kompetenz in der Material- und Zuverlässigkeitsforschung können wir wichtige Erkenntnisse beisteuern, sowohl für die Prozessierung der Galliumnitrid- Halbleiterwafer als auch für den nachfolgenden Aufbau von Bauelementen im Packaging.“
Insgesamt 39 Partner sind im europäischen Forschungsprojekt PowerBase beteiligt, darunter die Fraunhofer-Gesellschaft mit drei Instituten: das Fraunhofer IWM in Halle, das Fraunhofer-Technologiezentrum Halbleitermaterialien THM in Freiberg und die Fraunhofer-Einrichtung für Mikrosysteme und Festkörper-Technologien EMFT in München.
Das Finanzvolumen beträgt 87 Millionen Euro, die Federführung hat Infineon Technologies, einer der größten Halbleiterhersteller Europas. Ziel des bis 2018 laufenden Projekts ist der Aufbau von Pilotanlagen in Regensburg und Villach/Österreich, um Galliumnitrid-Halbleiterbauelemente im industriellen Maßstab und zu global wettbewerbsfähigen Kosten produzieren zu können. Das Vorhaben gehört zu den ersten ECSEL-Projekten, mit denen die europäische Industrie, die EU und die beteiligten Mitgliedsländer den Weltmarktanteil der europäischen Mikroelektronik bis 2024 erheblich steigern möchten.
Die Finanzierung von PowerBase erfolgt vor allem über Investitionen aus der Industrie, durch das ECSEL-Programm der EU sowie durch eine nationale Co-Förderung in Österreich, Belgien, Deutschland, Italien, Norwegen, Spanien, der Slowakei, Großbritannien und den Niederlanden. ECSEL steht dabei für „Electronic Components and Systems for European Leadership“ und ist als Private-Public-Partnership-Programm ein wichtiger Baustein der Initiative Europa 2020 der EU-Kommission. Die Bundesregierung sieht in der europäischen Zusammenarbeit innerhalb der ECSEL-Projekte ein wichtiges Instrument, um die starken Kompetenzen in der Mikroelektronik in Deutschland im Rahmen ihrer Hightech-Strategie weiter auszubauen und fördert das Vorhaben aus Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung. Zusätzlich engagiert sich auch der Freistaat Sachsen.
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