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Projekte

Galliumnitrid für energieeffiziente Spannungswandler

Bereits heute werden etwa 40% der weltweit verbrauchten Energie in Form von elektrischem Strom bereitgestellt. Es wird erwartet, dass dieser Anteil bis 2040 auf etwa 60% steigt. Diese gewaltigen Energiemengen müssen nicht nur ressourcen- und umweltschonend erzeugt, sondern effizient verteilt und genutzt werden. Dafür werden leistungselektronische Bauelemente, Schaltungen und Systeme benötigt, um je nach Anwendung das passende Spannungs- und Frequenzprofil des elektrischen Stroms zu erzeugen. Die Verlustleistung und die Produktionskosten dieser Komponenten gilt es konsequent zu minimieren. Allein mit der Einführung effizienter Leistungselektronik in den Bereichen der Erzeugung regenerativer Energien sowie der Automobilelektronik können bisher nicht genutzte Einsparpotenziale von 20% bis 35% erschlossen werden. Neuartige Leistungstransistoren aus Galliumnitrid (GaN) ermöglichen erhebliche Verbesserungen bei grundlegenden elektrischen Eigenschaften von energieeffizienten Spannungswandlern: beim spezifischen Einschaltwiderstand, bei der Schaltfrequenz des Bausteins und als Folge davon auch bei der Energieeffizienz der Spannungswandlung.

Die Betrachtung der grundlegenden physikalischen Eigenschaften geben Hinweise darauf, dass GaN-basierte, im Vergleich zu Silizium-Transistoren im Anwendungsbereich 100 V bis 1000 V eine Verbesserung des spezifischen Einschaltwiderstands um den Faktor 10 erreichen können. Zusätzlich zu der Verbesserung des spezifischen Einschaltwiderstands bieten GaN-basierte Leistungsbauelemente auch eine signifikante Steigerung der Schaltfrequenz. Weiterführende Simulationen geben Hinweise darauf, dass die nächste Generation von GaN/Si-basierten Transistoren eine Verbesserung von 33% in der Leistungseffizienz gegenüber Silizium-MOSFETs realisieren können, die nach dem neuesten Stand der Technik entwickelt werden. Angesichts einer radikalen Verbesserung des Produkts aus Einschaltwiderstand und Gate-Kapazität, der um eine Größenordnung besser ist als bei Siliziumlösungen, verspricht eine auf GaN- basierte Leistungselektronik eine Revolution hinsichtlich hochintegrierter Schaltungen zur energieeffizienten Spannungswandlung.

Um die Robustheit und Lebensdauer der Spanungswandler insbesondere bei hohen Betriebsspannungen zu optimieren, müssen extrem perfekte AlGaN/GaN-Schichtsysteme erforscht werden, die selbst bei elektrischen Feldstärken von 2,5 MV/cm isolierend bleiben. Um dies zu erreichen, werden in laufenden Projekten GaN-Einkristalle als Trägermaterial für die AlGaN/GaN-Schichtsysteme eingesetzt, diese zu Bauelementen prozessiert und die resultierenden, elektrischen Eigenschaften evaluiert.

AlGaNGaN-basierter Hochfrequenz-Leistungstransistor(Photo: Fraunhofer IAF)

AlGaN/GaN-basierter Hochfrequenz-Leistungstransistor

(Photo: Fraunhofer IAF)

Leistungselektronik aus Diamant

Satellitenkommunikation ist aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Radio- und Fernsehempfang, Mobilfunk und Multimedia-Dienste werden heute per Satellit in Echtzeit an jedem beliebigen Ort der Erde ermöglicht. Kommunikationssatelliten sind heute in der Lage, enorme Datenmengen zu übertragen. Neben den großen Kommunikationssatelliten im Bereich von bis zu 8000 kg Startmasse und mehr als 10.000 W elektrischer Leistung, die für das Satellitenfernsehen genutzt werden, ist ein zunehmender Bedarf an kleineren Satelliten entstanden. Leichtere Satelliten sparen Zeit und Geld in der Realisierungsphase und ermöglichen die notwendige Flexibilität in der Ortsabdeckung, wie sie für die schnell wachsenden mobilen Datendienste benötigt wird. Kleine Satelliten benötigen leichte Sende- und Empfangseinheiten, mit denen hohe Datenmengen zwischen Bodenstation und Satellit aber auch zwischen den Satelliten, d.h. über große Distanzen, schnell ausgetauscht werden können.

Für eine neue Generation leichter, schneller und energieeffizienter Sendeverstärker mit Anwendungen in der Satellitenkommunikation bietet synthetischer Diamant große Vorteile. Aufgrund seiner einzigartigen Kombination physikalischer Eigenschaften, wie der geringen Massendichte, der enorm hohen Durchbruchspannung, der großen Ladungsträgerbeweglichkeit, der exzellenten Wärmeleitfähigkeit und der extremen Strahlungsresistenz, eignet sich Diamant hervorragend für kleine und leichte Sender. Diese Sender können bei sehr hohen elektrischen Leistungen und Frequenzen sowie unter extremen Bedingungen eingesetzt werden. Durch die erfolgreiche Herstellung von isolierenden und dotierten Strukturen aus einkristallinem Diamant mit Hilfe der plasmaunterstützten Deposition aus Methan-Wasserstoffgemischen, hat sich eine sehr interessante Perspektive zur Entwicklung von leistungselektronischen Komponenten aus für höchste Spannungen, Ströme und Frequenzen eröffnet. Aus diesem Grund evaluieren die Mitarbeiter der Professur Leistungselektronik die strukturellen und elektrischen Eigenschaften von synthetischen Diamantkristallen im Hinblick auf die Prozessierung von Hochspannungs-Dioden und vertikalen Transistoren mit Anwendungen in der Kommunikationstechnik.

 Geschliffener und polierter synthetischer Schmuck-Diamant

Geschliffener und polierter synthetischer Schmuck-Diamant

Scandiumaluminiumnitrid für Hochfrequenzfilter

Innerhalb kurzer Zeit haben sich unsere Kommunikationssysteme von Einweg-Funksystemen zu mobilen Komplettlösungen weiterentwickelt. Wir können gleichzeitig sprechen und hören, zugleich GPS, Internet, Mobilfunk und Bluetooth nutzen. Das hat auch seinen Preis: Jede Kommunikation benötigt ein eigenes Frequenzband, die beim Nutzer durch einen leistungseffizienten und kompakten Bandpassfilter aus dem Frequenzspektrum des Funknetzes herausgefiltert werden muss. Schon heute befinden sich bis zu 12 Bandpassfilter auf der Basis von Oberflächen- oder Volumen-Wellen-Bauelementen mit piezoelektrischer Anregung in jedem Smart Phone.

Die Fähigkeit piezoelektrischer Materialien, elektrische Ladung in mechanische Vibration und mechanische Bewegung in elektrische Signale umzuwandeln, kommt in elektroakustischen Filtern zum Einsatz. Aufgrund der guten Kompatibilität mit Silizium-Technologien, der hohen thermischen Stabilität und der hohen Schalgleschwindigkeit, dominiert das piezoelektrische Aluminiumnitrid (AlN) die aktiven Schichten in Oberflächen- oder Volumenwellen basierten Frequenzfiltern. Jedoch sind die relativ geringe elektromechanische Kopplung und die niedrigen piezoelektrischen Koeffizienten limitierende Faktoren für zukünftige Anwendungen, bei den zukünftig notwendigen, hohen Betriebsfrequenzen.

Um die nächste Generation von piezoelektrischen Materialien zu entwickeln, wurde das Projekt »COMET« gestartet. Es hat zum Ziel, die grundlegenden physikalischen Eigenschaften von ScAlN wie die Tensoren der elastischen, piezoelektischen und dielektrischen Koeffizienten für den Entwurf von leistungseffizienten Bandpassfilter für hohe Betriebsfrequenzen von 2 bis 6 GHz zu ermitteln.

Die ausschlaggebende Motivation für dieses Projekt ist eine kürzlich veröffentlichte japanische Publikation, die zeigt, dass ScAlN mit Scandiumkonzentrationen von bis zu 40 % wesentlich höhere piezoelektrische Koeffizienten und eine höhere elektromechanische Kopplung im Vergleich zu AlN besitzt. Aus diesem Grunde haben Hersteller von Volumenwellen- und Oberflächenwellen-Bauelementen ein großes Interesse daran, in der nächsten Generation von Hochfrequenz-Filteranwendungen AlN durch das in »COMET« entwickelte ScAlN zu ersetzen.

Aluminium-Fingerkontakt (Ausschnitt) eines Oberflächenwellen-Bauelements

Aluminium-Fingerkontakt (Ausschnitt) eines Oberflächenwellen-Bauelements