Sind Galliumnitrid-Halbleiter die Zukunft?

Längst spielt der gewöhnliche Silizium-Transistor in der automobilen Leistungselektronik eine untergeordnete Rolle. Groß im Rennen sind SiC-Leistungshalbleiter, die seitens der GaN-Technik langsam Konkurrenz bekommen.

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Der Zeitpunkt könnte kaum besser gewählt sein. Wenn in wenigen Wochen einige der führenden Unternehmen der Elektronikbranche sich zur electronica 2022 präsentieren, könnten sie auch so manches Produkt und System vorstellen, um die Folgen der Energiekrise abzumildern. Ganz im Sinne des Konzepts Smart Energy, stehen zur Weltleitmesse der Elektronik Mitte November in München auch intelligente Technologien und Lösungen im Mittelpunkt, um entlang der gesamten Wertschöpfungskette der Energiewirtschaft für Energieeffizienz zu sorgen. Ein lukratives Geschäft – auch für die Hersteller.

Bis zum Jahr 2027 soll der globale Markt für Smart Energy auf knapp 248 Milliarden Dollar ansteigen. Ausgehend von 138,8 Milliarden Dollar, die im vergangenen Jahr umgesetzt wurden, entspricht das einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 9,82 %. Das ist zumindest das Ergebnis einer aktuellen Studie der IMARC Group, dessen Autoren vor allem den wachsenden Bedarf an intelligenten Stromnetzen (Smart Grids) als Grund nennen. Im Sog des Fortschritts entwickelt sich auch der Markt für Leistungshalbleiter.

Wide Bandgap-Halbleiter

So soll der Umsatz für Leistungshalbleiter aus Siliziumkarbid (SiC) wie auch aus Galliumnitrid (GaN) weltweit innerhalb von vier Jahren bei nahezu fünf Mrd. US-Dollar liegen. Das haben die Marktforscher von Yole Développement herausgefunden. Von noch größerer Bedeutung aber sind die Erkenntnisse der Analysten des European Centers for Power Electronics (ECPE). Demnach ist es möglich, mehr als ein Viertel der elektrischen Energie durch den Einsatz fortschrittlicher Leistungselektronik einzusparen. Das ist ein klares Statement für Wide Bandgap-Halbleiter, wie sie unter anderem von Infineon entwickelt und hergestellt werden.

"Vor allem Leistungshalbleiter mit breiter Bandlücke bieten enorme Vorteile", erzählt Mark Münzer im Interview "Wirkungsgrade von über 98 % sind essenziell" mit ATZelektronik. Der Vice President Innovation & Emerging Technologies SiC/GaN der Automotive Division von Infineon Technologies erklärt zudem, wie durch den Wechsel von der neuesten IGBT-Technologie auf CoolSiC der zweiten Generation bei gleicher Batteriebestückung die Reichweite um bis zu 12 Prozent gesteigert werden konnte. SiC-Bausteine sind seiner Ansicht nach im Übrigen die effizienten Vertreter unter den Leistungshalbleiter.

Siliziumkarbid oder Galliumnitrid?

Vor diesem Hintergrund erwartet das Unternehmen in wenigen Jahren einen Umsatz von rund einer Mrd. US-Dollar - mit Leistungshalbleiter auf Basis von Siliziumkarbid. Laut Infineon entspräche das dann einem Marktanteil von etwa 30 Prozent. Die Zeit Silizium-basierter Leistungshalbleiter neigt sich damit wohl langsam dem Ende. Immerhin bietet Siliziumkarbid neben einer hohen Leistungsdichte auch jene Langlebigkeit und Zuverlässigkeit, wie sie zur Leistungswandlung in der Elektromobilität und Energiewandlung unabdingbar sind. Doch trotz der Fortschritte der vergangenen Jahre ist weiterhin Forschungsarbeit notwendig. So gilt es unter anderem, das Wärme-Management, die Robustheit wie auch die Zuverlässigkeit zu erhöhen. Natürlich bei gleichzeitiger Optimierung der Herstellungskosten.

An dieser Stelle rücken die Galliumnitrid (GaN)-Halbleiter immer mehr in den Fokus. Weil sie sich im Vergleich zu SiC-Wafern einfacher herstellen lassen, sind die Kosten niedriger. Zwar setzen die Automobilisten für die Wechselrichter noch ausschließlich auf SiC-Halbleiter, aber GaN-Komponenten finden immer häufiger Beachtung in den Entwicklungsabteilungen. Auch weil sie laut Frank Altmann der Schlüssel zu effizienteren Bauelementen sind. Der Leiter des Geschäftsfelds "Werkstoffe und Bauelemente der Elektronik" beim Fraunhofer IMWS wird in dem Beitrag "Leistungshalbleiter aus Galliumnitrid für mehr Effizienz" der Springer-Autorin Nadine Winkelmann im Zusammenhang mit der Initiative UltimateGaN zitiert.

Forschungsprojekte rund um GaN

In dem Vorhaben "Research for GaN technologies, devices and applications to address the challenges of the futureGaN roadmap" (UltimateGaN) sind derzeit 26 Partner zu einem der größten europäischen Forschungsprojekte zusammengeschlossen. Die Unternehmen erhoffen sich, dass Bauteile auf GaN-Basis sich in "kleineren und leichteren Bauelementstrukturen umsetzen lassen, die den Strom effizienter schalten sowie höhere Datenübertragungsraten ermöglichen". Stromverluste werden laut des Beitrags bis zur Hälfte reduziert. "Die hohen elektrischen Feldstärken sowie Strom- und Leistungsdichten in sehr kompakten Bauelementen sind dabei besonders herausfordernd", erklärt Altmann.

Gelingt es, diesen Forderungskatalog zu erfüllen, dann haben GaN-Halbleiter auch eine Zukunft in der Automobilelektronik. Ein Grund, weshalb zum Beispiel Vitesco Technologies auf die GaN-Leistungshalbleitertechnik setzt. Vor wenigen Monaten hat eine Minderheitsbeteiligung am Partner GaN Systems erworben, um gemeinsam die GaN-Leistungshalbleitertechnologie für den Automobilbereich weiterzuentwickeln. Laut Unternehmen bieten GaN-Transistoren ein großes Potenzial für Anwendungen im Fahrzeug, weil sie effizienter, kleiner und in der Systembetrachtung wirtschaftlicher sind als Transistoren aus Silizium.