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GaN-Elektronik senkt den Energieverbrauch : Ausgabe 16/2015, 07.10.2015

Energieeffiziente Halbleiter

Ein exotisches Material, genannt Galliumnitrid (GaN), könnte nach Ansicht von MIT-Experten der nächste dominierende Halbleiter für die Leistungselektronik werden. Denn Bauteile aus diesem Material erreichen eine höhere Effizienz als Halbleiter aus Silizium.

Autor: Henning Wriedt, USA-Korrespondent

Bilder: zVg

Im Jahr 2013 ordnete das amerikanische Department of Energy (DOE) etwa die Hälfte eines 140-Millionen-Dollar-Budgets (für ein Forschungsinstitut der Leistungselektronik) der GaN-Forschung zu, und zwar mit dem Hinweis auf die Reduzierung des weltweiten Energieverbrauchs. Nunmehr stellte ein MIT-Spinout, die Cambridge Electronics Inc. (CEI), eine Reihe von GaN-Transistoren und Leistungselektronikschaltungen vor, mit denen sich der Energieverbrauch in Datenzentren, elektrischen Fahrzeugen und Consumer-Geräten bis 2025 um 10 bis 20 % senken lässt.

Kleinere und effizientere Komponenten

Viele der herkömmlichen Leistungselektroniksysteme basieren auf Silizium-Transistoren, welche die geforderte Spannung regeln, aber aufgrund der Schaltgeschwindigkeit und der Widerstandslimitierungen relativ viel Verlustleistung als Wärme abgeben. Nach Angaben des Unternehmens haben deren GaN-Transistoren im Vergleich zu Silizium-Transistoren einen wesentlich kleineren Widerstand. Das bedeutet eine erheblich höhere Energieeffizienz und auch eine höhere Schaltfrequenz. Das bringt letztlich auch kleinere Systemkomponenten mit sich. Während GaN-Transistoren gegenüber Silizium-Versionen einige markante Vorteile aufweisen, verhinderten Sicherheitsaspekte und eine teure Herstellung bisher eine breite Markteinführung dieser Technologie. Aber den MIT-Forschern gelang es, diese Probleme zu lösen.

Leistungstransistoren sind so ausgelegt, dass sie im Ein-Zustand hohe Ströme zulassen und im Aus-Zustand hohe Spannungen blockieren. Sollte die Schaltung defekt werden, muss der Transistor per Vorgabe die Aus-Position einnehmen, um den Strom zu stoppen, und damit Schäden vermeiden - eine wichtige Eigenschaft der Silizium-Leistungstransistoren. Aber GaN-Transistoren sind normalerweise im Ein-Zustand, das bedeutet, dass sie automatisch den Strom fliessen lassen. Das war bisher schwer zu korrigieren.

Auf den Materialmix kommt es an

Mit Mitteln des MIT-Microsystems Technology Laboratory und den finanziellen Unterstützungen vom Department of Defense und DOE-Geldern, entwickelten die MIT-Experten GaN-Transistoren, die sich durch eine Modifizierung der Materialstruktur nunmehr normalerweise in einem Aus-Zustand befinden. Bei der Herstellung von herkömmlichen GaN-Transistoren züchtet man eine dünne GaN-Schicht auf einem Substrat. Die MIT-Forscher dagegen schichteten unterschiedliche Materialien in ihren GaN-Transistoren mit ungleichen Zusammensetzungen. Durch Herausfinden der richtigen Mixtur erhielten sie einen neuen GaN-Transistortyp, der automatisch in den Aus-Zustand geht.

Ersatz für die Silizium-Technologie

Die Forscher und später das neu gegründete Unternehmen entwickelten neue Fertigungsmethoden, wobei unter anderem Materialien ausgewählt wurden, die kompatibel mit der Silizium-Fertigung sind. Auch das Aufbringen von GaN auf grossen Wafern durch Silicon Foundries konnten die Forscher realisieren.

CEI entwickelt derzeit mit ihren neuen Transistoren Netzgeräte für Laptops, die rund 24,5 cm³ gross sind. Weitere anvisierte Applikationen für GaN-Transistoren sind Datenzentren und Cloudsysteme. Denkbar ist auch der Ersatz Silizium-basierter Elektronik in Elek­trofahrzeugen. Hier geht es um Batterielader und Inverter. Silizium-Transistoren können in der Leistungselektronik nicht so gut mithalten wie ihre GaN-Konkurrenten.

Infoservice


Cambridge Electronics, Inc.
www.gantechnology.com



Prototyp eines Leistungsadapters für Laptops