GaN-Energiesparchips als Turbo für erneuerbare Energie, Elektromobilität und CO2-Einsparung

Startschuss für 48-Millionen-Projekt fiel in Kärnten

Unter der Leitung von Infineon Austria in Villach fiel am 13.05.2019 der Start­schuss für das europäische Forschungsprojekt UltimateGaN (Research for GaN technologies, devices and applications to address the challenges of the futureGaN roadmap). 48 Millionen Euro werden in den nächsten drei Jahren in die Entwicklung eines Energiespar-Chips investiert. Geforscht wird laut dem Kärntner Regierungs-Pressedienst unter dem Titel UltimateGaN in 26 Unternehmen aus neun Ländern. Bereitgestellt werden sollen Leistungshalbleiter zu global wettbewerbsfähigen Kosten für viele Anwendungen. Damit leistet das ECSEL-Projekt (Elektronische Komponenten und Systeme für die Europäische Führung Österreich) einen wichtigen Beitrag zu mehr Energieeffizienz und zur CO2-Reduktion.

Der weltweite Energiebedarf steigt – immer mehr Anwendungen des täglichen Lebens werden digitalisiert und elektrische Fahrzeuge drängen verstärkt in den Massenmarkt. Energiesparchips aus neuen Materialien spielen eine entscheidende Rolle, den Strom weitaus effizienter zu wandeln als bisher. Der neue Chip soll aus Galliumnitrit hergestellt werden, Energie sparen und den CO2-Fußabduck künftig minimieren. Die 26 Partner sind aus Österreich, Belgien, Deutschland, Italien, Slowakei, Schweiz, Spanien und Schweden.

Vorläuferprojekt ECSEL – Halbleiter auf Galliumnitrid-Basis wandeln Strom deutlich effizienter um als herkömmliche Chips aus Silizium. Das bietet enorme Potenziale für Smartphones, Laptops, Solarmodule und viele andere Anwendungen. Das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM in Halle trägt im europäischen ECSEL-Forschungsprojekt PowerBase seit Juli 2015 dazu bei, diese Zukunftstechnologie zur Marktreife zu führen.

Wafer aus Galliumnitrid werden in der Villacher Pilotanlage des Projekts PowerBase produziert – Foto © Infineon Austria

Leistungshalbleiter wandeln elektrische Energie, zum Beispiel die Netzspannung aus der Steckdose, im Ladegerät oder im Netzteil auf die Erfordernisse des jeweiligen Geräts um. Mit Galliumnitrid (GaN) als Halbleitermaterial sind höhere Durchbruchs-Feldstärken und schnellere Schaltgeschwindigkeiten möglich als mit Silizium. Die Energieverluste, die meist in Form von Abwärme anfallen, werden so um bis zu 50 Prozent reduziert. Die höhere Leistungsfähigkeit ermöglicht es zudem, Bauteile wie Netzteile und Ladegeräte noch kleiner werden zu lassen. Auch für Beleuchtung und Photovoltaik bietet das Material vielversprechende Möglichkeiten. (siehe: solarify.eu/energieverluste-halbieren)

Im Projekt UltimateGaN forschen nun 26 Partner aus neun Ländern in den kommenden drei Jahren an der nächsten Energiesparchip-Generation basierend auf dem neuen Halb­leitermaterial Galliumnitrid (GaN). Ziel ist es, diese Leistungshalbleiter zu global wettbewerbsfähigen Kosten für eine Vielzahl von Anwendungen bereitzustellen. Damit leistet das Projekt einen wichtigen Beitrag zu mehr Energieeffizienz und zur CO2-Reduktion. Mit einem Volumen von 48 Millionen Euro zählt UltimateGaN zu einem der größten europäischen Forschungsprojekte.

  • Österreich: Austria Technologie & Systemtechnik AG, Infineon Technologies Austria AG, Fronius International GmbH, CTR Carinthian Tech Research AG, Technische Universität Graz
  • Belgien: IMEC
  • Deutschland: AIXTRON SE, Infineon Technologies AG, Siltronic AG, Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH, Fraunhofer Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., Technische Universität Chemnitz, NaMLab GmbH
  • Italien: Università degli studi di Padova, Infineon Technologies Italia, Universita di Milano Bicocca
  • Norwegen: Eltek AS
  • Slowakei: Slovak University of Technology in Bratislava, Nano Design SRO
  • Schweiz: Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne EPFL, Attolight SA
  • Spanien: IKERLAN, For Optimal Renewable Energy, LEAR
  • Schweden: RISE Research Institutes of Sweden AB, SweGaN AB

Der weltweite Energiebedarf steigt – immer mehr Anwendungen des täglichen Lebens werden digitalisiert und elektrische Fahrzeuge drängen verstärkt in den Massenmarkt. Energiesparchips aus neuen Materialien wie Galliumnitrid spielen eine entscheidende Rolle, den Strom weitaus effizienter zu wandeln als bisher. Dadurch spart man Energie und minimiert den CO2-Fußabdruck.

UltimateGaN – kleinere, energieeffiziente Chips zu marktfähigen Kosten

Infineon Austria bringt als konzernweites Kompetenz­zentrum für die neuen Halbleiter­materialen Siliziumkarbid und Galliumnitrid vorhandenes Know-how in das Projekt ein. Die Voraussetzungen dafür wurden mit dem 2018 abgeschlossenen Forschungsprojekt „PowerBase“ in Villach geschaffen. Es gelang, die europaweit erste GaN-Pilotlinie in einem industriellen Fertigungsumfeld zu errichten und die Basisgeneration für erste Marktanwendungen zu schaffen.

Nun geht man material- und prozesstechnisch in der Forschung einen Schritt weiter, um die nächste Generation dieser hocheffizienten Energiesparchips für den Massenmarkt zu erschließen: Im Fokus steht eine weitere Miniaturisierung sowie die Bereitstellung dieser Chips in hoher Qualität und zu global wettbewerbs­fähigen Kosten. Durch die spezielle Materialstruktur von GaN werden höhere Leistungsdichten erzielt. Dies ermöglicht kleinere und leichtere Designs, die den Strom weitaus effizienter schalten sowie höhere Datenraten schneller übertragen können. Das resultiert in einer deutlichen Senkung des Energieverbrauchs: Stromver­luste werden bis zur Hälfte reduziert.

Zukunftsweisende Anwendungen profitieren: Erneuerbare Energie, Elektromobilität und schnellerer Datentransfer

Von den Energiesparchips werden viele Anwendungen profitieren, in denen es um einen geringen Energieverbrauch, kompaktere Baugrößen sowie um einen schnellen Datenaustausch geht. Die Elektromobilität und intelligente Stromnetze bekommen mit dem Forschungsprojekt einen neuen Schub: Durch kleine, integrierte „On-Board“ Ladegeräte mit GaN-Chips wird das Aufladen eines Elektroautos auch zu Hause dreimal schneller erfolgen als bisher. Dank dieser effizienten Leistungshalbleiter wird außerdem die Einbindung erneuerbarer Energiequellen wie Solarstrom oder Windkraft ins Stromnetz einfacher und schneller. Auch der neue 5G Mobilfunkstandard und beispielsweise das ultraschnelle Laden von Videos wird genauso unterstützt, wie eine Verkehrsflusssteuerung in Echtzeit beim auto­nomen Fahren oder -Stichwort Industrie 4.0 – das reibungslose Kommunizieren zwischen Maschinen. Gerade bei der Miniaturisierung der GaN-Chips sind das kompakte, kleine Design und die komplexe Verbindungs- und Gehäusetechnik besonders herausfordernd. Es gilt, hohe Stromdichten, die Wirkung elektrischer Felder, Material­belastungen und -stabilitäten zu beachten. Die Forschungen verfolgen daher einen ganzheitlichen Ansatz über die gesamte Wertschöpfungskette – von der Prozessentwicklung, dem Design, Aufbau- und Verbindungstechnologien bis hin zur integrierten Systemlösung. Dementsprechend breit ist auch das Konsortium mit Partnern aus Wissenschaft und Wirtschaft aufgestellt.

Über Infineon Austria

Die Infineon Technologies Austria AG ist ein Tochterunternehmen der Infineon Technologies AG, einem weltweit führenden Anbieter von Halbleiterlösungen, die das Leben einfacher, sicherer und umweltfreundlicher machen. Mikroelektronik von Infineon senkt den Energieverbrauch von Unterhaltungselektronik, Haushaltsgeräten und Industrieanlagen. Sie trägt wesentlich zu Komfort, Sicherheit und Nachhaltigkeit von Fahrzeugen bei und ermöglicht sichere Transaktionen im Internet der Dinge.

Infineon Austria bündelt als einziger Standort neben Deutschland die Kompetenzen für Forschung und Entwicklung, Fertigung sowie globale Geschäftsverantwortung. Der Haupt­sitz befindet sich in Villach, weitere Niederlassungen in Graz, Klagenfurt, Linz und Wien. Mit 4.201 Beschäftigten (davon über 1.813 in Forschung und Entwicklung) aus rund 60 Nationen erzielte das Unternehmen im Geschäftsjahr 2018 (Stichtag 30. September) einen Umsatz von 2,9 Milliarden Euro. Mit einem Forschungsaufwand von 498 Millionen Euro zählt Infineon Austria zu den forschungsstärksten Unternehmen Österreichs.

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