GaN-basierte Bauelemente, Schaltungen und Module für höchste Energieeffizienz und maximale Spannung

Energieeffiziente Leistungselektronik gehört zu den Schlüsseln für eine erfolgreiche Energiewende. Technologien auf Basis des Leistungshalbleiters Galliumnitrid (GaN) ermöglichen aufgrund der physikalischen Eigenschaften des Materials höhere Leistungen bei geringeren Verlusten gegenüber herkömmlichen Halbleitern wie Silizium (Si). Mit innovativen Bauelementen und Schaltungsdesigns erzielen Forschende des Fraunhofer IAF regelmäßig Bestwerte hinsichtlich Effizienz. Die Anwendungsbeispiele reichen von GaN-Hochvolt-Transistoren für die Elektromobilität über Ansteuerungselektronik für klimafreundliche elektrokalorische Wärmepumpen bis zu performanten und zugleich ressourcensparsamen Power ICs für die Informationstechnik.

1200-V-Bauelemente sind eine essenzielle Entwicklung im Bereich der Elektromobilität beziehungsweise in der elektrischen Antriebs-, Lade- und Übertragungstechnik. Das Fraunhofer IAF arbeitet gemeinsam mit Erstausrüstern und Zulieferern an neuartigen Bauelementkonzepten, um Energieeffizienz und Leistungsdichte zu steigern, Kosten zu senken und die Zuverlässigkeit zu erhöhen. Dabei kommen sowohl laterale als auch vertikale Designs und deren Kombination zum Einsatz. Als Vorteil für die Forschenden und Partner erweist sich, dass Know-how und Infrastruktur entlang der gesamten Wertschöpfungskette am Fraunhofer IAF vorhanden sind: vom Design über Epitaxie, Prozesstechnik, Charakterisierung hin zur Aufbautechnik und Intergation in (Sub-)Systeme.

Die Integration mehrerer Bauelemente und Funktionalitäten in einem Chip sind ein weiteres Forschungsgebiet des Fraunhofer IAF. Entwickelt werden zu diesem Zweck auch Technologien sowohl zur monolithischen wie auch heterogenen Integration, etwa GaN-auf-SiC- oder GaN-auf-Si-Prozesse. Ein Musterbeispiel für diese Kompetenz ist ein kompletter 3-Phasen-Motorinverter auf einem 2 x 2 mm2 großen einzelnen GaN-Chip. Forschende des Fraunhofer IAF haben diesen Chip mit drei Halbbrücken für die Ansteuerung eines bürstenlosen Gleichstrommotors (Brushless DC Motor, BLDC) realisiert und die Funktion für Motoranwendungen im Bereich der Robotik oder für Flugdrohnen demonstriert (DOI: 10.3390/s23146512). Das Bauelementkonzept lässt sich für kompakte, effiziente Antriebe in der Elektromobilität hochskalieren.