Hochleistungshalbleiter auf Galliumarsenid-Basis (GaAs) bieten die Chance, einen Innovationssprung in der Leistungselektronik zu erreichen. Damit wird der Durchbruch zu intelligenter Energieerzeugung, zu emissionsfreier Mobilität sowie zu automatisierten und vernetzten Produktionsprozessen möglich.
Die Akteure des BMBF-Innovationsforums „GaAs-Leistungselektronik“ haben die Potenziale dieser neuen Technologie für die unterschiedlichsten Branchen ausgelotet und den Aufbau eines Kompetenznetzwerks für innovative Anwendungen dieser neuen Technologie gestartet. Die Ergebnisse der bisherigen Arbeit stellten sie zur Innovationstagung am 4. und 5. Dezember 2018 in Dresden vor. Mehr als 80 Teilnehmer von Industrie- und Forschungseinrichtungen aus ganz Deutschland interessierten sich dafür.
Dr. Gerhard Bolenz von 3-5 Power Electronics begrüßte die Teilnehmer zur Abschlusstagung des BMBF-Innovationsforums „Galliumarsenid-Leistungselektronik“. (Foto: Ina Reichel)
GaAs-Elemente gibt es bereits seit Jahren auf dem Markt. Sie sorgen beispielsweise für das Funktionieren von Smartphones. Als Leistungselektronik-Bausteine sind sie noch relativ unbekannt. Jedoch bieten sie eine sehr gute Performance für Hochspannungs- und Hochstromanwendungen wie sie für energieeffiziente Prozesse in Industrie und Mobilität benötigt werden, betont Dr. Volker Dudek, mit Dr. Gerhard Bolenz Geschäftsführer der 3-5 Power Electronics GmbH (35PE) Dresden. Die erfahrenen Halbleiter-Fachleute haben mit dem Ende 2015 gegründeten Unternehmen das Innovationsforum initiiert und bereits Mitstreiter aus Forschung und Industrie für die Entwicklung und Fertigung von GaAs-Leistungshalbleitern gewonnen.
Ein Partner ist die Professur Leistungselektronik und elektromagnetische Verträglichkeit der TU Chemnitz. Der wissenschaftliche Mitarbeiter Jens Kowalsky stellte die Bedeutung von Leistungshalbleitern als Schlüsselbauelemente für eine nachhaltige Gesellschaft in den Mittelpunkt seines Vortrags. Es geht um eine intelligente Elektrifizierung. So sind leistungsstarke Frequenzumrichter das Kernstück zukünftiger Mobilität, nicht nur beim rein elektrischen Antrieb, sondern auch für Hybridisierung und weitere Lösungen. Ebenso müsse der Wirkungsgrad der Stromversorgung im IT-Bereich deutlich erhöht werden. Derzeit kommen weniger als 50 Prozent bei der Datentechnik an. Neue Generationen von Leistungshalbleitern, zu denen neben Siliziumkarbid (SiC)- und Galliumnitrid (GaN)- ebenso GaAs-Bauelemente gehören, bieten das Potenzial für Energieeffizienz.
Links: Jens Kowalsky von der TU Chemnitz stellte die Bedeutung von Leistungshalbleitern als Schlüsselbauelemente für eine nachhaltige Gesellschaft in den Mittelpunkt seines Vortrags. Mitte: Neue Materialien wie GaAs-Elemente verändern die Wertschöpfungskette in der Halbleiterindustrie. Sie wird mehr und mehr applikationsgetrieben, führte Johannes Fröhling, Geschäftsführer der Deep-tech A GmbH Weinheim, aus. Rechts: Dr. Stefan Eichler, CTO der Freiberger Compound Materials GmbH, berichtete über die Herstellung der GaAs-Wafer. (Fotos: Ina Reichel)
Diese neuen Materialien verändern die Wertschöpfungskette in der Halbleiterindustrie. Sie wird mehr und mehr applikationsgetrieben, wie Johannes Fröhling, Geschäftsführer der Deep-tech A GmbH Weinheim, ausführte. Der Anwendernutzen trete deutlich in den Vordergrund. Das zeigen die Aktivitäten großer Automobilhersteller oder Technologie-Unternehmen, die sich zusätzliches Know-how auf diesem Gebiet einkaufen. GaAs-Leistungselektronik als das jüngste Segment in diesem Bereich muss den Markt noch von seinem Nutzen überzeugen.
35PE kann bereits erste Anwendungen vorweisen, beispielsweise für das industrielle Schweißen. Die GaAs-Dioden zeigen niedrigere Leistungsverluste und deutlich reduzierte Systemkosten gegenüber Si- bzw. SiC-Elemente. Zudem können sie kompakter gebaut werden.
Partner für das Ausgangsmaterial ist die Freiberger Compound Materials GmbH unweit Dresdens. Sie liefert auf kurzem Weg die GaAs-Wafer. Chief Technology Officer Dr. Stefan Eichler betonte in seinem Vortrag, dass es für die Implementierung von GaAs-Leistungselektronik keine Limitierung gibt.
Links: AZUR SPACE Solar Power ist u. a. Weltmarktführer bei der Herstellung von GaAs-Weltraumsolarzellen und bietet zudem auch den Foundryservice für Opto- und Leistungselektronik an, erklärte der Leiter Geschäftsentwicklung Gerhard Strobl. Das Unternehmen ist Foundrypartner von 3-5 Power Electronics. Mitte: Dr. Volker Dudek von 3-5 Power Electronics berichtete über erste Anwendungserprobungen von GaAs-Dioden, u. a. beim induktiven Laden und induktiven Schweißen. Rechts: Den Ionenimplantationsservice der HZDR Innovation GmbH Dresden für die Halbleiterindustrie stellte Dr. Roman Böttger vor. (Fotos: Ina Reichel)
Die AZUR SPACE Solar Power GmbH Heilbronn agiert als Foundrypartner für 35PE. Während das Dresdner Unternehmen in einem innovativen, mehrfach patentierten Prozess dicke GaAs-Schichten auf die Wafer aufbringt und zu Hochleistungs-Halbleitern veredelt, realisiert AZUR SPACE die Chip-Fertigung. Das Unternehmen ist u. a. Weltmarktführer bei der Herstellung von GaAs-Weltraumsolarzellen und bietet zudem auch den Foundryservice für Opto- und Leistungselektronik an, erklärte der Leiter Geschäftsentwicklung Gerhard Strobl.
Den Ionenimplantationsservice, den die HZDR Innovation GmbH Dresden für die Halbleiterindustrie anbietet, stellte dessen Direktor Dr. Roman Böttger vor. Die auf Technologietransfer und Auftragsfertigung ausgerichtete Firma ist ein Tochterunternehmen des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf und der GWT-TUD GmbH.
Viel Anwendungspotenzial der GaAs-Leistungselektronik liegt im Bereich Mobilität. Dr. Thomas Blank vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) informierte über ein Forschungsprojekt zur Entwicklung von Ultraschnellladestationen, bei dem neben SiC- auch GaAs-Dioden getestet werden. Die Versuche zeigen, dass GaAs-Dioden der ersten Generation bereits die Leistungen bringen, die mit SiC-Dioden der dritten Generation erreicht werden. Schaltungen können deutlich effizienter aufgebaut werden. Die Verluste tendieren gegen Null. GaAs-Leistungselektronik habe somit Riesenpotenzial, in hoch beanspruchten Ladesystemen Platz zu finden.
Links: Dr. Thomas Blank vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) informierte über ein Forschungsprojekt zur Entwicklung von Ultraschnellladestationen, bei dem neben SiC- auch GaAs-Dioden getestet werden. Rechts: Für das elektrische und automatisierte Fahren ist eine neue, hocheffiziente Leistungselektronik unabdingbar, betonte Wolfgang Sczygiol, verantwortlich für das weltweite Automotive-Geschäft bei der ESG Elektroniksysteme und Logistik GmbH München. (Fotos: Ina Reichel)
Diese Ansicht teilt auch Wolfgang Sczygiol, verantwortlich für das weltweite Automotive-Geschäft bei der ESG Elektroniksysteme und Logistik GmbH München. Für das elektrische und automatisierte Fahren ist eine neue, hocheffiziente Leistungselektronik unabdingbar, betonte er.
Das bedeutet für die Akteure im Innovationsforum „GaAs-Leistungselektronik“, die Produktfamilie hin zu aktiven Hochleistungshalbleitern wie IGBT-Module weiterzuentwickeln. Deren Auslegung, der Zeitpunkt ihrer Verfügbarkeit sowie Ansätze für weitere Kooperationen rund um GaAs-Elemente bestimmten u. a. die Diskussionen nach den Vorträgen sowie die Gespräche an den Tischen, an denen sich verschiedene Hersteller, Dienstleister und Anwender vorstellten. Dazu gehörten die BITSz electronics GmbH Zwickau, der Automationsspezialist COVAC GmbH Bautzen, die ILEAG Zwickau, das Institut für Angewandte Physik der TU Bergakademie Freiberg, das BMBF-WIR-Projekt „Smarterz“, die Leipziger Messe sowie conceptic Leipzig. Konkretes Interesse an einer Zusammenarbeit hat ebenfalls IAV angemeldet. Das Unternehmen ist einer der weltweit führenden Entwicklungspartner der Automobilindustrie.
Um neuen innovativen Technologien zum Durchbruch zu verhelfen, braucht es auch finanzielle Unterstützung. Die Leistungen des Bundes zur Förderung von Forschung und Innovation stellte Alexandra Bender vom Forschungszentrum Jülich vor.
Wie Elektronik außerdem innovativ in Funktionstextilien angewendet werden kann, demonstrierten Modedesign-Studentinnen der Fachhochschule Dresden an Studienarbeiten zum Thema „Space Diver“.
