Energiemanagement

Power für Megatrends

Elektronik ist die Grundlage für die künftige Entwicklung von Megatrends wie Mobilität, Energieversorgung oder Kommunikation. Ein Schlüssel zu ihrer effizienten Nutzung liegt in der Leistungselektronik, die je nach Anwendung effizient zwischen Gleich- und Wechselstrom hin- und herschaltet und so Laufzeiten oder Reichweiten erhöht, Ladezeiten verringert und Kosten reduziert. Anwendung findet die moderne Leistungselektronik zum Beispiel beim kabellosen („Wireless Charging“) oder schnellen („Fast Charging“) Laden mobiler Endgeräte sowie in Antriebssträngen von Elektrofahrzeugen wie Autos und Zügen oder in Ladesäulen.

Was ist Leistungselektronik?

Die Leistungselektronik ist ein Teilgebiet der Elektrotechnik, das sich mit der Umformung elektrischer Energie in Bezug auf die Spannungsform, die Höhe von Spannung und Strom sowie der Frequenz mit schaltenden elektronischen Bauelementen beschäftigt. Die moderne Leistungselektronik basiert ausschließlich auf Halbleitern und arbeitet sehr effizient, ist kostengünstig und technisch kompakt.

Anwendung findet die Leistungselektronik in Bauelementen wie Umrichtern oder Frequenzumrichtern, die in der elektrischen Antriebstechnik, bei der Erzeugung und Netzeinspeisung regenerativer Energien aus Sonne und Wind zum Einsatz kommen. 

Die Leistungselektronik ist in vielen Bereichen unseres Alltags zu finden – in der Stromversorgung eines Mobiltelefons ebenso wie im Elektromotor, in industriellen Fertigungsanlagen genauso wie an Hochspannungsleitungen. Vor allem die Elektromobilität ist ohne Leistungselektronik undenkbar geworden. Denn sie steigert die Leistungsfähigkeit der Fahrzeuge und ermöglicht den zügigen Ausbau einer leistungsfähigen Ladeinfrastruktur.

"Fachleute schätzen, dass sich mittels Leistungselektronik bis zu 35 Prozent des derzeitigen Energiebedarfs einsparen ließen."

Mit Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) gibt es zwei vielversprechende Materialien für die Leistungselektronik der Zukunft. Beide schalten Strom wesentlich effizienter als das derzeit noch vorherrschende Silizium (Si), das bei der Umwandlung von Gleich- in Wechselstrom mehr Wärmeverluste abgibt und dadurch weniger Energie zur Verfügung stellt. Der Einsatz von Bauelementen aus Siliziumkarbid und Galliumnitrid spart damit zusätzlich teure und sperrige Kühlsysteme ein. 

Allein mit Siliziumkarbid lassen sich die Energieverluste fast halbieren und die Schaltzeiten verzehnfachen. Es besitzt eine zehnmal höhere Durchschlagsfestigkeit und eine dreimal höhere Wärmeleitfähigkeit als Silizium. Diese Eigenschaften lassen sich nutzen, um zum Beispiel das Volumen und Gewicht wichtiger Elektronikbausteine für Elektrofahrzeuge um bis zu 50% zu reduzieren. Fahrzeugbatterien werden entsprechend kleiner und billiger. Einziger Nachteil dieser Materialien: Noch sind Chips aus Siliziumkarbid und Galliumnitrid im Vergleich zu siliziumbasierten Bauelementen deutlich teurer.

Trotzdem macht der Einsatz von Bauelementen aus Siliziumkarbid und Galliumnitrid in Systemen zur Leistungsregelung aufgrund der großen Vorteile im Vergleich zum aktuell noch vorherrschenden Silizium diese Kosten teilweise heute schon wett. Fachleute schätzen, dass sich mittels Leistungselektronik bis zu 35 Prozent des derzeitigen Energiebedarfs einsparen ließen. Dies entspräche im Jahr 2020 bei einem europaweiten Energieverbrauch von 4.000 TWh der Leistungsfähigkeit von 115 Großkraftwerken.
 

Viele Vorteile, eine Herausforderung

Eine große Herausforderung bei Siliziumkarbid wie auch bei Galliumnitrid ist die kostengünstige Herstellung beider Materialien. Die Häufigkeit von Defekten in den produzierten Kristallen ist etwa 100x höher als bei Silizium und der Aufbau robuster Halbleiterschichten damit wesentlich komplizierter. Das macht die Herstellung der Wafer – kreisrunder, etwa ein Millimeter dicker Scheiben aus ein- oder mehrkristallinen Rohlingen, die als Substrat (Grundplatte) für elektronische Bauelemente dienen – aufwendiger und anspruchsvoller. 

Für einen Wafer (Substrat) benötigt man Halbleiterkristalle mit möglichst wenigen Defekten. Deshalb werden in aufwendigen Verfahren Einkristalle erzeugt, die im Gegensatz zu einem natürlich entstandenen Kristall, der aus vielen Kristallkörnern zusammengewachsen ist, nur aus einem einzigen Kristall bestehen. 

Dr. Frank Wischmeyer, Vice President Marketing & Business Development Power Electronics bei AIXTRON, erklärt: „Dieser Prozess ist bei Silizium sehr gut beherrschbar – aus bis zu zwei Meter großen Blöcken lassen sich mehr als 1000 Wafer schneiden. Dagegen lassen sich Einkristallblöcke aus Siliziumkarbid derzeit nur bis etwa 10 cm Kantenlänge produzieren, was lediglich rund 70 Wafer ergibt.“ 

Mittels Epitaxie, dem gängigen Verfahren zum Aufwachsen von Halbleitermaterialien, werden auf diesen Substraten dann synthetische Kristalle hergestellt. Diese bestehen aus atomlagendünnen Schichten verschiedener chemischer Elemente und formen die zunehmend wichtigen Verbindungshalbleiter – Silizium und Kohlenstoff (Siliziumkarbid) oder Gallium und Stickstoff (Galliumnitrid). 

An diesem entscheidenden Punkt kommt unsere innovative, einzigartige Produktionstechnologie ins Spiel. Denn Anlagen von AIXTRON ermöglichen sichere und effiziente Prozesse für die Herstellung hochwertiger Epitaxie-Wafer, die je nach Chipgröße und Bauelementstruktur zu hohen Chip-Ausbeuten von 80-95% führen. 

Präzision in der Herstellung ist der Schlüssel

Das Geheimnis der Leistungselektronik liegt im Herstellungsprozess, der metallorganisch-chemischen Gasphasenabscheidung (Metal Organic Chemical Vapor Deposition, kurz: MOCVD), an dessen Weiterentwicklung wir als Technologieführer seit mehr als 30 Jahren maßgeblich beteiligt sind. Dabei werden die Bestandteile der metallorganischen Verbindungen verdampft und zusammen mit anderen hochreinen Gasen äußerst fein dosiert in die präzise auf hohe Temperaturen geheizten Reaktionskammern unserer Anlagen eingebracht.  

Um den hohen Anforderungen seiner Kunden aus Industrie und Forschung hinsichtlich Präzision und Wiederholbarkeit der Abscheidung gerecht zu werden, hat AIXTRON das Strömungssystem seiner Referenzanlagen stetig weiterentwickelt. Damit können die gasförmigen Ausgangsmaterialien gezielt in der Mitte der Kammer eingeleitet werden und strömen sehr gleichmäßig über die heißen Wafer, auf denen dann das epitaktische Abscheiden stattfindet. Dabei spalten sich die gasförmigen Verbindungen auf, so dass sich nur die erwünschten Atome auf den Oberflächen der Wafer abscheiden. Um die optimale Gleichförmigkeit dieser Abscheidung zu erreichen, werden die Wafer auf rotierenden Planetenbahnen um den Gaseinlass durch den Reaktor bewegt. 

Darüber hinaus garantiert der exakt gleichmäßige Fluss der Gasmischung in der Prozesskammer schärfste Übergänge zwischen den einzelnen Schichten der Verbindungshalbleiter und steuert so optimal die Abscheideraten für nanometerfeine Halbleiterschichten höchster Qualität. Das Ergebnis: atomlagendünne Schichten als Ausgangsmaterial für eine hocheffiziente Leistungselektronik. 

Kleine Fehler, auch nur in einer Schicht dieses nicht selten mehrere hundert Einzellagen umfassenden Schichtpakets, können deshalb großen Einfluss auf die Leistung des daraus gefertigten Bauteils haben. Das Ziel unserer Ingenieure ist es, die Anlagentechnologie soweit zu optimieren, dass sich die Defekte des Substrats nicht im Schichtstapel fortsetzen. Denn „die Leistungsfähigkeit der daraus gefertigten Elektronikbauteile hängt von diesem ersten Produktionsschritt ab, weil die Qualität der Halbleiterkristalle ausschlaggebend für das Leistungsvermögen der späteren Chips ist“, erläutert Dr. Frank Wischmeyer. 
 

"Wir arbeiten intensiv mit unseren Partnern aus Wissenschaft und Industrie zusammen."

Neue Wege in die Zukunft

Um diesen Vorsprung zu halten, arbeiten wir intensiv mit unseren Partnern aus Wissenschaft und Industrie zusammen. So kooperiert AIXTRON bei der Weiterentwicklung und Optimierung der Produktionsprozesse für größere und damit wirtschaftlichere Wafer aus Siliziumkarbid eng mit dem Fraunhofer IISB in Erlangen oder entwickelt gemeinsam mit 29 Partnern im Rahmen des europäischen Forschungsprojekts UltimateGaN die nächste Generation energiesparender Chips auf Basis von Galliumnitrid. Ziel ist hier eine weitere Miniaturisierung der Chips in höchster Qualität zu wettbewerbsfähigen Kosten.

"In der Vergangenheit wurde die SiC- und GaN-Technologie in kundenspezifischen Projekten entwickelt. Um die stetig wachsenden Kundenanforderungen an diese Prozesstechnologien zu erfüllen, gehen wir heute neue Wege", fasst Dr. Frank Wischmeyer den Ansatz von AIXTRON zusammen.

Digitalisierung treibt Entwicklung der Anlagentechnologie

Das Ergebnis dieser Kooperationen ist die stetige Weiterentwicklung der Produktionsanlagen für Leistungsbauelemente um die Verbindungshalbleiter immer wettbewerbsfähiger gegenüber den etablierten auf Silizium basierenden Materialien zu machen. So wurden in den vergangenen Jahren von AIXTRON Anlagentypen speziell für die Herstellung von Leistungselektronik aus Galliumnitrid und Siliziumkarbid entwickelt. Dabei setzt letzterer zur notwendigen Erhöhung der Produktionstemperatur auf das „Warm Wall“-Konzept. Dazu bestehen in der AIX G5 WW C alle zum Wafer orientierten Wände aus Graphit und werden durch die Wärmestrahlung des aktiv geheizten Suszeptors (Prozesstemperatur: 1600°C) auf maximaler Temperatur gehalten, um einen optimalen Prozessablauf zu garantieren.

Die AIX G5 WW C läuft derzeit schon im Testbetrieb. "Erstmalig in der Herstellung von Leistungselektronik werden sich bei dieser Anlage während des Prozesses Daten wie die Temperatur der Waferoberfläche für eine verbesserte Prozesskontrolle aufnehmen lassen. Die Digitalisierung schafft neue Entwicklungsmöglichkeiten für die Anlagentechnologie. Darüber hinaus stellen wir echte Automatisierungsfähigkeiten vor, um die Lücke zu den Herstellungsprozessen in der Siliziumindustrie weiter zu schließen", so Dr. Frank Wischmeyer. Damit setzen wir einen weiteren Meilenstein und schaffen es, den Ansprüchen der Industrie stets einen Schritt voraus zu sein.

"Leistungselektronik macht zentrale Bauelemente kleiner, leichter und kostengünstiger."

Leistungselektronik hält Einzug in den Alltag

Effiziente Leistungselektronik aus Galliumnitrid trägt bereits jetzt dazu bei, z.B. Server in Datencentern vor Überhitzung zu bewahren und so aufwändige Kühlsysteme und deren Kosten zu reduzieren. Aber auch im Alltag beweist modernste Leistungselektronik ihren Nutzen. Sie erhöht die Reichweite von Elektrofahrzeugen um rund 20% und reduziert die Ladezeiten deutlich. In Elektroautos wie dem Tesla Model 3 ist bereits der Großteil der Leistungselektronik für den Antriebsstrang auf Basis von Siliziumkarbid gefertigt und Volkswagen plant in den nächsten zehn Jahren rund 70 neue Elektrofahrzeugmodelle auf den Markt zu bringen – mit Power-Modulen auf Basis von Siliziumkarbid. Gleichzeitig macht die Leistungselektronik zentrale Bauelemente kleiner, leichter und damit beispielsweise Batterien, ein Kernstück der Elektromobilität, kostengünstiger. 

Aber auch zahlreiche kleinere Geräte profitieren vom technischen Fortschritt und wandeln sich zu mobil einsetzbaren Leichtgewichten: Smartphones lassen sich bereits heute schon kabellos aufladen und Ladegeräte von Laptops werden zukünftig die Größe einer Scheckkarte besitzen.

"Viele Ideen bleiben Theorie - bei uns werden Sie Wirklichkeit."

"Weltweit arbeiten wir mit exzellenten Universitäten, Forschungszentren und Industriepartnern zusammen, um anspruchsvolle Projekte auf nationaler und internationaler Ebene umzusetzen. Durch den intensiven Austausch mit renommierten Wissenschaftlern erzielen wir beispielsweise neue Ergebnisse in der Nanotechnologie und erforschen stetig neue Materialien und Technologien."

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