In dem vom Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) geleiteten Projekt haben acht europäische Partner aus Forschung und Industrie selbstsperrende Galliumnitrid (GaN)-Leistungstransistoren bis zum entwickelt. Energiekonverter, die diese GaN-Transistoren nutzen, können die Verluste gegenüber existierenden Technologien halbieren und ermöglichen nach Angaben der Forscher eine Konversionseffizienz von 98% und mehr. Konsequent umgesetzt, kann damit viel Primärenergie gespart werden.



Vom Material zur industrietauglichen Fertigung

GaN wird bereits für Mikrowellentransistoren verwendet und in feinsten Schichten meist auf Siliziumcarbid (SiC)-Substraten aufgebracht. Eine Technologie, die am FBH in den letzten Jahren in Richtung von Leistungs-Schalttransistoren für den 600-Volt-Betrieb weiterentwickelt wurde.


Da das zu teuer für den Massenmarkt ist, lässt sich die auf SiC entwickelte Technologie auf kostengünstigere aber technologisch anspruchsvollere Siliziumsubstrate (SI) übertragen. So ist es dem FBH gelungen, die Prozessierung von GaN-Schalttransistoren auf SiC und Si so zu optimieren, dass nahezu ideal funktionierende Bauelemente möglich wurden. Die Basis dafür schafften umfassende Untersuchungen zu Drift- und Degradationseffekten an den Universitäten Padua und Wien.


Die fertig prozessierten Transistorchips wurden schließlich bei Infineon in Malaysia in induktivitätsarme ThinPAK-Gehäuse montiert. Der einzelne Transistor darin misst 4,5mm x 2,5mm und ist optimiert darauf, 600V zu schalten. Er hat einen Einschaltwiderstand von 75 Milli-Ohm und liefert eine maximale Stromstärke von 120A.



Beachtliche Kostensenkung möglich

Das belgische Unternehmen EpiGaN übernahm zusammen mit dem Anlagenhersteller Aixtron die Epitaxie auf Si – damit sinken die Kosten für die Substrate um mehr als den Faktor 10. Zugleich erhöhten sie den Waferdurchmesser auf 6 und 8 Zoll. Infineon Villach passte schließlich die neu entwickelte GaN-Technologie auf eine Si-Prozesslinie für die industrielle Produktion von Leistungshalbleitern an.


Gemeinsam mit Kollegen der Uni Wien und der Akademie der Wissenschaften in Bratislava gelang es, Konzepte für künftige Halbleitergenerationen zu testen. Am Ende der Wertschöpfungskette stand die Artesyn Austria als Systempartner. Sie entwickelte einen 3-kW-Telecom-Rectifier für Mobilfunk-Basisstationen. Dieser konvertiert die Netz-Wechselspannung in Gleichspannung mit einem Wirkungsgrad von 98%. Dazu wurde eine spezielle, auf die Eigenschaften von GaN-Schalttransistoren angepasste Schaltungstopologie entwickelt und realisiert.