Verbesserte Netzteile machen den Weg frei für Hochspannungsanwendungen

Leistungshalbleiter spielen bei der Leistungsumwandlung in zahlreichen elektronischen Geräten, die wir im Alltag nutzen, eine wichtige Rolle, von Smartphones und Computern bis hin zu Photovoltaik und Elektrofahrzeugen. Angesichts der umfassenden und globalen Nutzung von Leistungshalbleitern haben sich Wissenschaftler darauf konzentriert, diese energieeffizienter und kostengünstiger zu gestalten.

Durch PowerBase, ein teilweise EU-finanziertes Projekt mit 39 Partnern aus neun europäischen Ländern, wurden große Fortschritte auf dem Weg zu diesem Ziel gemacht. Die Mittel von PowerBase haben darüber hinaus zur Entwicklung einer neuen Galliumnitrid-Substrate-Technologie (GaN) beigetragen, auf deren Grundlage Netzteile in der Lage sein werden, mit Spannungen von mehr als 650 V zu arbeiten. Diese Entwicklung wurde vor Kurzem von einem internationalen FuE-Zentrum mit Sitz in Belgien und einem amerikanischen Technologieunternehmen ohne eigene Fertigungsstätten bekannt gegeben. Ihre gemeinsame Arbeit hat zu diesem Fortschritt in Richtung effizienterer Leistungshalbleiter geführt.

Die Energieeffizienz der neuen Netzteile wird durch GaN erzielt, eine vielversprechende Technologie für Anwendungen mit Leistungshalbleitern. Wärme, die durch Leistungsverluste entsteht, ist in der Elektronik ein wichtiger Nebeneffekt. Beim Betrieb erzeugen elektronische Geräte und Kreisläufe Wärme. Je mehr und je schneller sie arbeiten, umso mehr überschüssige Wärme wird erzeugt, die schließlich die Leistung beeinträchtigt und zum frühzeitigen Ausfall führt. Dank seiner größeren Spannungsfestigkeiten und schnelleren Umschaltgeschwindigkeiten hat GaN das Potenzial, den Energieverlust während der Leistungsumwandlung zu verringern.

Bislang wird die Technologie von GaN auf Silizium für kommerzielle GaN-Netzteile genutzt, die mit bis zu 650 V arbeiten und bei denen 200-mm-Pufferschichten zwischen dem GaN-Gerät und dem Siliziumsubstrat liegen. Für Anwendungen wie erneuerbare Energie und Elektrofahrzeuge, die mit mehr als 650 V laufen müssen, haben sich GaN-basierte Netzteile jedoch als problematisch erwiesen.

Die Schwierigkeit liegt darin, die Dicke des Puffers, der auf Aluminium-Galliumnitrid (AlGaN) basiert, auf das Maß zu erhöhen, das für einen höheren Durchschlag und geringe Leckagewerte erforderlich ist. Dies liegt an der Diskrepanz zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK) der GaN-/AlGaN-Epitalschichten und des Siliziumsubstrats. Einfach gesagt: Die beiden dehnen sich bei einer Temperaturänderung nicht gleichmäßig aus. Obwohl man überlegt hat, dickere Siliziumsubstrate zu verwenden, um die Verwölbung und Verbiegung bei 900 V und mehr zu verhindern, ergeben sich daraus neue Probleme, wie ein Verlust der mechanischen Stärke und Kompatibilitätsprobleme in einigen Verarbeitungswerkzeugen.

Das Problem wurde durch die Entwicklung von hochleistungsfähigen p-GaN-Netzteilen mit Erweiterungsmodus auf 200-mm WAK-angepassten Substraten gelöst. Die Wärmeausdehnung der Substrate entspricht nahezu derjenigen der GaN-/AlGaN- Epitaxie. Diese legt die Grundlagen für Netzteile mit 900 bis 1 200 V-Puffern und darüber hinaus auf Substraten mit der Standarddicke von 200 mm mit spannenden neuen Aussichten für künftige kommerzielle Anwendungen.

Das Projekt PowerBase (Enhanced substrates and GaN pilot lines enabling compact power applications), das sich nun seinem Ende nähert, hat darauf hin gearbeitet, die derzeitigen Technologien für Leistungshalbleiter voranzutreiben. Um dies zu erreichen, hat man sich dabei darauf konzentriert, eine qualifizierte breite Pilotlinie der Bandlücken-GaN-Technologie einzurichten und die Grenzen der heutigen siliziumbasierten Substratmaterialien für Leistungshalbleiter auszuweiten. Andere Ziele waren unter anderem die Einführung fortschrittlicher Verpackungslösungen aus einer Pilotlinie mit dedizierter Chip-Einbettung und der Nachweis des Innovationspotenzials in führenden Bereichen für kompakte Leistungsanwendungen.

Weitere Informationen:
PowerBase-Projektwebsite