Das Trainings-Netzwerk zur Ausbildung junger Wissenschaftler mit dem Titel "Piezoelectric Energy Harvesters for Self-Powered Automotive Sensors: From Advanced Lead-Free Materials to Smart Systems (ENHANCE)" bietet jungen Wissenschaftlern (Early Stage Researcher, ESR) eine umfassende und intensive Ausbildung in einem multidisziplinären Forschungs- und Lehrumfeld. Zu den wichtigsten Schulungsthemen gehört die Entwicklung von Energiequellen (Energy Harvesters), die mit der MEMS-Technologie kompatibel sind und in der Lage sind, drahtlose Sensoren zu betreiben. Diese Technologie, die auf Automobile angewendet wird, ermöglicht 50 kg Gewichtseinsparung, Vereinfachung der Verbindungen, Platzersparnis und geringere Wartungskosten - alles wichtige Schritte zur Schaffung umweltfreundlicher Fahrzeuge. Weitere wichtige Themen sind Technologieinnovation, Bildung und Persönlichkeitsbildung.

ENHANCE vernetzt weltweit führende Forschungsgruppen an akademischen Einrichtungen, um einen kombinierten, integrierten Ansatz aus Synthese/Herstellung, Charakterisierung, Modellierung/Theorie in Verbindung mit Konzepten zur Materialintegration in Geräte und Systeme zu bieten. Ein solcher wissenschaftlich gestützter Gesamtingenieuransatz wird zu effizienten piezoelektrischen Energiewandlern führen, die für die Automobilindustrie geeignet sind. Die ESRs werden sich auf dieses gemeinsame Forschungsziel konzentrieren und dabei einen multidisziplinären Bottom-up-Ansatz anwenden, der sich wie folgt zusammenfassen lässt: "neues Molekül - fortschrittliches Material – neue Bauelemente - intelligentes System". Der Hauptzweck des ENHANCE-Projekts ist die Schaffung einer multidisziplinären gemeinsamen Forschungsaktivität, die Chemie, Materialwissenschaft, Physik, Mechanik, Technik und Elektronik umfasst, um Energiequellen mit hoher Leistungsdichte und Systeme daraus mit stabilisierter Ausgangsspannung im Bereich von 1-3 V zu schaffen. Diese sollen an die spezifischen Bedürfnisse von Sensoren mit hoher Autonomie angepasst sein und in Temperaturbereichen von Raumtemperatur (RT) bis 600 °C in Fahrzeugen arbeiten. Wir schlagen vor, eine hybride Nutzung der in den Autos verfügbaren Energien zu entwickeln die Wärme (Th), Licht (Lt), Vibration (vi)) und/oder mehrere Umwandlungseffekte gleichzeitig nutzen. Dabei sollen piezoelektrische (Pi) - pyroelektrische (Py) - elektromagnetische (EM)  oder photovoltaische (PV) Effekte durch den gleichen Wandler basierend auf piezoelektrischen/ferroelektrischen/multiferroskopischen Kristallen, Schichten oder Nanostrukturen genutzt werden.

Der Ansatz der hybriden Energiegewinnung mit einem einzigen Wandler, der eine zeiteffiziente und vereinfachte Herstellung des Hybridsystems ermöglicht, steht im Einklang mit den Endzielen des Projekts. Diese sind die Schaffung von Systemen von Schwingungs-, Wärme- und Lichtenergiefängern nicht nur mit einer ausreichenden Effizienz der Energiegewinnung (300-500 μW/cm2/g2), sondern auch mit einem angemessenen Preis und tragfähigen Technologien zur Herstellung und Integration für industrielle Anwendungen.

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Die moderne Gesellschaft stützt sich auf eine Vielzahl von elektrischen und elektronischen Einrichtungen, von der Kommunikation über die industrielle Fertigung bis hin zur E-Mobilität. Etwa 80% von ihnen benötigen die Umwandlung von Primärstrom in eine andere Form von Strom. Daher ist eine hocheffiziente elektrische Energieumwandlung entscheidend. Hauptsächlich hängt dies von den verwendeten Leistungsschalttransistoren ab, welche einen möglichst niederohmigen flächenspezifischen Einschaltzustand bei gleichzeitig hoher Sperrspannung aufweisen sollten. Neue Halbleitermaterialien mit hohem Bandabstand (WBG) wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) erreichen gegenüber Silizium eine höhere Durchbruchfeldstärke und können daher weit kompakter aufgebaut werden. Auf dieser Basis konnten bereits leistungselektronische Konverter mit höherer Effizienz demonstriert werden.  

Das neue Halbleitermaterial Galliumoxid (Ga2O3) mit seiner gegenüber SiC und GaN mehr als doppelt so hohen Durchbruchfeldstärke besitzt das Potenzial den Wirkungsgrad von damit bestückten Leistungskonvertern noch weiter zu steigern. Daher besteht seit etwa sechs Jahren weltweites Interesse in der Erforschung neuer leistungselektronischer Halbleiterbauelemente auf Basis von Ga2O3. Ziel von ForMIkro-GoNext ist es, voll funktionsfähige vertikale Ga2O3-Transistoren zu demonstrieren. Zur Erreichung dieses Ziels, müssen Kristallzucht, Epitaxie und Prozesstechnologie weiterentwickelt und aufeinander abgestimmt werden.

Projektpartner: Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ) / Ferdinand-Braun-Institut / Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) / Universität Bremen / ABB / AIXTRON SE.

Das Verbundprojekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.

Pressemitteilung

Herstellung von Graphen im industriellen Maßstab

Graphen besteht nur aus einer Lage von Kohlenstoffatomen und gilt seit seiner Entdeckung als „Wundermaterial“. Besonders interessant ist die extreme Festigkeit bei gleichzeitiger Biegsamkeit des Materials. Auch weist es eine höhere elektrische Leitfähigkeit als Metalle auf und ist noch dazu transparent. Die einzigartigen Eigenschaften des dünnsten Materials der Welt könnten vielfältige Anwendungen ermöglichen, bisher sind jedoch sehr wenige Produkte auf dem Markt. Einige Verbesserungen konnten bspw. bei Sensoren zu einer deutlich gesteigerten Sensitivität führen. Auch konnten Transistoren, Herzstück in der Nachrichtentechnik oder in Computersystemen, mit besonders hoher Taktfrequenz realisiert werden. Es handelt sich bislang jedoch nur um Labordemonstrationen, nicht um produktionstaugliche Prozesse. Das dringendste Problem ist die nicht einwandfrei definierte und reproduzierbare Qualität der Graphenschichten. Für eine Umsetzung im industriellen Maßstab ist aber eine hohe und zuverlässig reproduzierbare Qualität der elektrisch funktionalen Materialien unabdingbare Voraussetzung.

Mit der Gasphasenabscheidung steht grundsätzlich ein skalierbarer Prozess für die Herstellung großflächiger Graphenschichten zur Verfügung. Im Projekt GIMMIK soll die Herstellung von Graphenschichten erstmals unter industriellen Rahmenbedingungen evaluiert werden. Die Schwachstellen bei der entsprechenden Prozessierung werden identifiziert und Wege zur Eliminierung der Fehlerquellen entwickelt. Darüber hinaus soll die Übertragung der Eigenschaften von Graphen auf elektrische Bauteile durch Integration in eine Materialumgebung überprüft werden. Dieser Aspekt soll mit Fokus auf die Bewertung der Graphenqualität, aber auch im Hinblick auf die Verbesserung der Bauteileigenschaften untersucht werden. Parallel werden Verfahren zur großflächigen, kontaktfreien Charakterisierung von Graphen entwickelt, die derzeit noch nicht existieren. Projektziel ist die Erstellung von Methodiken zur Sicherstellung einer gleichmäßig hohen Graphenqualität als Grundlage der Fertigungstauglichkeit für Abscheidungs- und Integrations-Prozesse.

Das Forschungsvorhaben GIMMIK hat zum Ziel, die Graphentechnologie für elektronische Bauelemente zu erweitern und auf einen produktionsrelevanten Stand zu bringen. Im Erfolgsfall gelingt ein internationaler Durchbruch in der industriellen Anwendung von Graphen, der aufgrund des hohen Verwertungspotentials die beteiligten Unternehmen und Deutschland als Wissenschafts- und Wirtschaftsstandort international stärkt.

Teilnehmer: AIXTRON SE, Deutschland (Herzogenrath) / Infineon Technologies AG, Deutschland (Neubiberg) / IHP GmbH - Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik, Deutschland (Frankfurt, Oder) / Protemics GmbH, Deutschland (Aachen) / LayTec AG, Deutschland (Berlin) / RWTH Aachen, Deutschland (Aachen)

Gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

The Chancellor, Masters and Scholars of the University of Cambridge, Großbritannien / University of Cambridge, Großbritannien / AIXTRON SE, Deutschland / Cambridge CMOS Sensors Limited, Großbritannien / Commissariat a l’ Energie Atomique et aux Energies Alternatives, Frankreich / INTEL Performance Learning Solutions Limited, Irland / Thales SA, Frankreich / Centre National de la Recherche Scientifique, Frankreich / Ecole Polytechnique Federal de Lausanne, Schweiz / Danmarks Tekniske Universitet, Dänemark / Philips Technologie GmbH, Deutschland / Max Planck Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V., Deutschland / Gesellschaft für angewandte Mikro- und Optoelektronik mit beschränkter Haftung AMO GmbH, Deutschland / The Provost, Fellows, Foundation Scholars & the other Members of Board of the College of the Holy & Undivided Trinity of Queen Elizabeth near Dublin, Irland / Graphenea S.A., Spanien

Das Graphene-Flaggschiff ist Europas 10-jähriges, mit 1 Mrd. Euro gefördertes Programm, das im Oktober 2013 angelaufen ist. Das Flaggschiff stellt eine neue Form der gemeinsamen, koordinierten Forschung in einem noch nie dagewesenen Ausmaß dar und bildet die größte europäische Forschungsinitiative aller Zeiten. Das Programm wird in Form von Kurzprojekten finanziert, und wir befinden uns jetzt in der "Core 2"-Phase.

Das Graphen-Flaggschiff hat die Aufgabe, akademische und industrielle Forscher zusammenzubringen, um innerhalb von 10 Jahren Graphen aus dem Bereich der akademischen Laboratorien in die europäische Gesellschaft zu bringen und so Wirtschaftswachstum, neue Arbeitsplätze und neue Möglichkeiten zu schaffen.

Bei diesem Projekt hat AIXTRON zwei wichtige technische Aufgaben:
(1) die Entwicklung eines automatisierten Transfersystems zur Realisierung der Backend-Integration von Graphen auf 300-mm-Wafern;
(2) die Entwicklung eines Rolle-zu-Rolle-Wachstums von Graphen auf Kabeln zur Verbesserung des Korrosionsschutzes und der elektrischen Leistung;

Was die Leitung des Projekts betrifft, so ist Dr. Ken Teo der Vorsitzende des Exekutivausschusses, der das Entscheidungsgremium des Flaggschiffs ist; Dr. Alex Jouvray leitet das Arbeitspaket Produktion.


Weitere Informationen: Graphene Flagship

Die Verbundpartner haben bereits vielversprechende Ergebnisse bei der Entwicklung von III-V Mehrfachsolarzellen auf Silizium erzielt. Vor einer industriellen Nutzung müssen aber noch weitere Verbesserungen hinsichtlich Leistung der Bauelemente und Produktionskosten erreicht werden. Hierzu gehören konkret eine Reduktion der Versetzungsdichte in den III-V Solarzellenschichten von heute 108 cm^-2 in den Bereich von 1-5*10⁶ cm^-2, die Demonstration von Solarzellen mit Wirkungsgraden > 30 % und die Optimierung der Wirtschaftlichkeit der MOVPE Wachstumsprozesse. Das vorliegende „MehrSi" Projekt adressiert die wichtigsten Entwicklungsschritte auf diesem Weg. Dabei sollen insbesondere die folgenden Ziele erreicht werden:
 

• Verbessertes Verständnis der Nukleation von GaP bzw. Al_xGa1-_xP auf Silizium inklusive des Einflusses von Arsen und von n-Dotierstoffen wie Si oder Te;
• Entwicklung schneller III-V Nukleationsprozesse durch Variation von Si-Vorbehandlung, -Temperatur, -Heiz- bzw. -Kühlrate;
• Entwicklung von Übergangsschichten in der Gitterkonstante von Si zu den III-V Solarzellenschichten mit < 5*10⁶ Versetzungen/cm²;
• Weltweit erstmals Herstellung von III-V Mehrfachsolarzellen auf Si mit > 30 % Wirkungsgrad;
• Kostenanalyse für den Einsatz von III-V-Si Mehrfachsolarzellen in photovoltaischen Flachmodulen und Entwicklung einer Verwertungsstrategie mit Deutschen und/oder Europäischen Solarfirmen;
• Entwicklung kostengünstiger MOVPE Abscheideprozesse mit dem Potential zur Skalierung auf große Flächen;
• Ausbildung von Masteranden und Doktoranden in einem exzellenten wissenschaftlichen Umfeld und Publikation wichtiger Ergebnisse in angesehenen wissenschaftlichen Fachzeitschriften.

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Neue Pilotanlage wird in Zukunft der Inkubator für multinationale Unternehmen der Photonik sein.

Die Photonik ist eine aufstrebende Technologie mit einem potenziellen Multitrillionenmarkt. Innovative kleine und mittlere Unternehmen (KMU) stehen bei dieser Entwicklung an vorderster Front, aber die FuE-Kosten sind für sie unerschwinglich. Deshalb gründen 12 Partner aus Nordwesteuropa eine Open-Access-Pilotlinie, die Kosten und Zeit für die Pilotproduktion neuer Produkte drastisch reduzieren wird. Diese neue Einrichtung wird voraussichtlich das Inkubatorzentrum von tausend neuen Unternehmen und Tausenden von Arbeitsplätzen sein. Das 14-Millionen-Euro-Projekt (OIP4NWE) wird vom Europäischen Fonds für regionale Entwicklung unterstützt und beginnt diese Woche in Eindhoven.

Die Photonik ist vergleichbar mit der Elektronik, aber anstelle von Elektronen verwendet sie Licht (Photonen) als Arbeitspferd. Sie verbraucht viel weniger Energie, ist schneller und eröffnet eine Fülle neuer Möglichkeiten. Eines der Hauptprobleme, das die Photonik lösen wird, ist der explodierende Energieverbrauch von Rechenzentren, da photonische Mikrochips viel weniger Energie verbrauchen als ihre elektronischen Vorgänger. Ein weiteres Beispiel für die Anwendung von photonischen Bauelementen ist ein hochpräzises Überwachungssystem für Flugzeugflügel, Brücken oder hohe Gebäude.

Nach zwei Jahrzehnten der photonischen Grundlagenforschung starten nun die ersten Unternehmen, die photonische integrierte Schaltungen (PICs) herstellen. Eine der Haupthindernisse sind die hohen Kosten für Forschung und Entwicklung. Die PIC-Produktion erfordert nicht nur teure High-Tech-Geräte, die in Reinräumen installiert sind, sondern auch die Produktionsprozesse weisen derzeit noch eine hohe Fehlerquote auf und sind zu langsam. Dies war für die Grundlagenforschung vertretbar, nicht aber für die kommerzielle Forschung. Die Bewertung der technologische Einsatzbereitschaft (technology readiness level, TRL), die von 1 bis 9 reicht, muss von den aktuellen 4 auf das Niveau 7 angehoben werden.

Das neue Projekt unter der Leitung der Photonik-Hochburg Eindhoven University of Technology (in Zusammenarbeit mit dem Photonic Integration Technology Center) umfasst die Realisierung einer effizienten Pilotproduktionslinie zur gemeinsamen Nutzung durch europäische KMU. Das Projekt sollte die Fehlerquote in der Pilotproduktion verringern und die Durchlaufzeit verkürzen. Alles in allem sollte dies zu einer Kostensenkung führen, die die Schwelle für die Entwicklung neuer photonischer Produkte deutlich senkt. Dies dürfte dazu beitragen, innerhalb von zehn Jahren nach dem Projekt viele integrierte Photonikfirmen zu gründen.

Der Frontend-Prozess (Herstellung von PICs auf Indiumphosphid-Wafern) wird in der bestehenden Reinraumanlage NanoLab@TU/e der Universität Eindhoven realisiert. Die PICs verschiedener Unternehmen werden auf einem Wafer zusammengefasst, um die Kosten niedrig zu halten. Der Backend-Prozess wird an der Vrije Universiteit Brussel (Optiken für Strahlformung und Lichtkupplung) und am Tyndall National Institute in Cork, Irland (Montage von Glasfaserverbindungen und Elektronik im Gehäuse) durchgeführt. Alle Schritte erfordern nanoskalige Präzision, um Produktfehler zu vermeiden.

Die erste Phase des Projekts ist die Installation der Ausrüstung. Die zweite Stufe konzentriert sich auf die Automatisierung der Anlagen, während die dritte Stufe intensive industrielle Forschung zusammen mit den Anlagenherstellern zur Optimierung und Entwicklung neuer Verfahren beinhaltet. Die Pilotlinie soll 2022 vollständig in Betrieb sein. Um die Erstakzeptanz durch die KMU zu fördern, wird ein Gutscheinprogramm für externe KMU eingerichtet.

Weitere Beteiligte neben AIXTRON SE (Deutschland) sind die Unternehmen Oxford Instruments Nanotechnology Tools (Großbritannien), SMART Photonics, VTEC Lasers & Sensors, Technobis Fibre Technologies (alle Niederlande) und mBryonics Limited (Irland) sowie die Forschungszentren Photonics Bretagne (Frankreich), Cluster NanoMikroWerkstoffePhotonik.NRW (Deutschland) und Photon Delta Cooperatie (Niederlande).

Das Projekt hat ein Gesamtbudget von 13,9 Millionen Euro. Davon finanziert die EU 8,3 Millionen, der Rest kommt von den beteiligten Parteien.

Projektdetails (englisch)

eBulletin (06-2020)

Presseinformation Protoype AIXTRON epitaxy reactor for open innovation pilot line OIP4NWE 

Das QUANTIMONY-Konsortium ist ein Europäisches Innovatives Ausbildungsnetzwerk (European Innovative Training Network, ITN) mit einem Schwerpunkt auf dem Gebiet der Halbleiterwissenschaft und -technologie, das alle wissenschaftlichen und ingenieurtechnischen Aspekte von der Modellierung über Materialwachstum und -charakterisierung, Bauelementherstellung und -analyse bis hin zur industriellen Nutzung abdeckt.

Im Rahmen dieses neuen, von der EU finanzierten H2020, Marie Skłodowska-Curie Joint Training and Research Programme "Quantum Semiconductor Technologies Exploiting Antimony" (Gemeinsames Ausbildungs- und Forschungsprogramm "Quantenhalbleiter-Technologien zur Nutzung von Antimon-basierten Verbindungshalbleitern") stehen 14 Doktorandenstellen für hochmotivierte Nachwuchsforscher (Early Stage Researchers, ESRs) zur Verfügung.

Gesucht werden 14 junge talentierte ESRs, die in einem dieser Länder auf ihre Promotion hinarbeiten wollen: Deutschland, Italien, Niederlande, Spanien und Großbritannien ab April/Juni 2021.

Das Projekt QUANTIMONY wird von der Europäischen Kommission (Kennzeichen 956548) gefördert.

Mehr Informationen (Website QUANTIMONY und Europäische Kommission)

Die Hauptziele des SiTaSol-Projekts sind:

• Nachweis einer zweipoligen, zweipoligen III-V/Si-Tandemsolarzelle mit einem Wirkungsgrad von > 26% und einem Ziel von 30% unter Verwendung von weniger als 5 µm III-V-Verbindungshalbleitermaterial. Diese Zelle wird einen Drop-In-Ersatz für die heutigen c-Si-Solarzellen mit minimalen Änderungen an der PV-Zelle und dem Modul ermöglichen.

• Demonstration von PV-Prototypenmodulen (einschließlich 2-10 Zellen in Serie) mit einem Wirkungsgrad von > 24%.

• Validierung von Prozessen zur Vorbereitung des Wachstumssubstrats, die mit den Kostenzielen von 0,05 € pro 243 cm² Wafer kompatibel sind.

• Validierung skalierbarer Epitaxieprozesse für die III-V-Absorberschichtabscheidung mit einer Wachstumsrate von 100 µm/h, einer Abscheidungseffizienz von 35% und einem V/III-Verhältnis von 3, die mit den Kostenzielen von 0,62 € pro 243 cm²-Wafer kompatibel sind, und Bau eines Reaktor-Prototyps mit einer Abscheidefläche von mindestens 100 cm².

• Untersuchung von Abfallbehandlungs- und Recyclingverfahren für Wasserstoff und Metalle, die aus dem III-V-Wachstum stammen und mit den Kostenzielen von 0,1 € pro 243 cm² Wafer vereinbar sind.

• Validierung skalierbarer Verarbeitungswege für III-V/Si-Tandemsolarzellen, die mit den Leistungs- und Kostenzielen kompatibel sind.

• Durchführung einer detaillierten Lebenszyklus-Bewertung unter Berücksichtigung sozioökonomischer und ökologischer Aspekte.

• Erstellung eines theoretischen Modells für die Energiegewinnung von PV-Modulen mit 2-poligen III-V/Si-Tandemzellen an verschiedenen europäischen Standorten.

Es sei darauf hingewiesen, dass sich das Projekt auf Schlüsselfaktoren für die Realisierung einer kostengünstigen c-Si-basierten Tandemsolartechnologie mit herausragendem Effizienzpotenzial weit über die Grenzen von Single-Junction-Geräten hinaus konzentriert.

Teilnehmer: AIXTRON SE, Deutschland / AIXTRON Ltd, Großbritannien / AZUR SPACE Solar Power GmbH, Deutschland / Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, Deutschland / JOHANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbH, Österreich / Leiden University, The Netherlands / Topsil Semiconductor Materials A/S, Denmark

Weitergehende Informationen; (Website SiTaSol hier)

SKYTOP zielt darauf ab die Kombination von topologischem Zuständen sowohl im realen als auch im reziproken Raum durch die Verwendung von Topologischen Materialien (TM) wie Topologischen Isolatoren und/oder Weyl-Halbmetallen und magnetischen Skyrmionen zu ermöglichen. Ziel ist es, eine Skyrmion-TM-basierte Plattform zu entwickeln und Geräte mit ineinandergreifenden elektronischen Spins und Topologien für verbesserte Effizienz und neue Funktionen zu realisieren. Diese sollen zu einem neuen Paradigma für die ultradichte niederleistungs-Nanoelektronik führen. Die drei Hauptziele dieser Vision sind: die Entwicklung von TM-Materialien für eine hocheffiziente Erzeugung von Spin-Strömen und Steuerung der Magnetisierung; als auch die Entwicklung einer funktionalen TM-Skyrmion-Plattform. Diese Arbeiten sollen die Skyrmionen eine Technologiestufe höher heben. Die Demonstration des Potenzials dieser Plattform erfolgt durch die Realisierung von zwei exemplarischen unkonventionellen Geräten: einem rekonfigurierbaren Hochfrequenz-Skyrmion-Filter und einem neuromorphen Gerät auf Basis von Skyrmion-Gas. SKYTOP wird voraussichtlich auch eine Route zur Erschließung der entstehenden Weyl-Halbmetallmaterialien eröffnen. Diese werden derzeit auf der Ebene der Grundlagenforschung untersucht.

Teilnehmer: National Center for Scientific Research “Demokritos” (NCSRD, Griechenland, Koordinator) / Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS, Frankreich) / Thales (Frankreich) / Max-Planck-Insituts (MPI, Deutschland) / Consiglio Nazionale delle Ricerch –Institute for Microelectronics and Microsystems (CNR-IMM, Italien) / Interuniversity Micro-Electronics Center (Imec, Belgien) / AIXTRON (Deutschland)

Gefördert durch die Europäische Kommission

SKYTOP Project EU: Skyrmion-Topological insulator and Weyl semimetal technology (Video)

Aristotle University of Thessaloniki, Griechenland / University of Patras, Griechenland / University of Oxford, Großbritannien / University of Surrey, Großbritannien / University of Ioannina, Griechenland / Ecole Polytechnique, Frankreich / Universität Stuttgart, Deutschland / Fraunhofer-Gesellschaft, Deutschland / Helmholtz Zentrum Berlin, Deutschland / Centro Ricerche Fiat, Italien / Centre for Research and Technology – Hellas, Griechenland / Horiba Jobin Yvon, Frankreich / Advent Technologies Griechenland / COATEMA, Deutschland / COMPUCON, Griechenland / AIXTRON, Deutschland / Konarka, Deutschland / Oxford Lasers Ltd., Großbritannien

Die Digitalisierung und die zugrunde liegenden Schlüsseltechnologien sind ein wesentlicher Bestandteil der Antworten auf viele der gewaltigen Herausforderungen, vor denen die Gesellschaften heute stehen. Die wichtigsten Voraussetzungen für diese digitale Transformation sind elektronische Komponenten und Systeme (ECS), die in Anwendungen, Information Highways und Rechenzentren eingesetzt werden. Diese Informationsautobahnen und Rechenzentren sind das "Rückgrat" der gesamten Digitalisierung (5G) und elektrische Energie ist die wesentliche Ressource, die sie antreibt. Aufgrund der stetig steigenden Nachfrage nach Datenverkehr, -speicherung und -verarbeitung ist eine höhere Energieeffizienz unumgänglich. Dies gilt auch für die Energieumwandlung in Bezug auf Smart Grids und Smart Mobility.

Wann immer Halbleiterbauelemente auf Silizium-(Si)-Basis an ihre Grenzen stoßen, sind Leistungshalbleiter auf Galliumnitrid-(GaN)-Basis vielversprechende Kandidaten, die wesentlich höhere Schaltfrequenzen bei gleichzeitig höchster Energieumwandlungseffizienz ermöglichen. Mehrere FP7- und H2020-Projekte, darunter das ECSEL-Pilotprojekt "PowerBase", haben diese Annahmen bestätigt und dienen als Grundlage für die Verfügbarkeit der ersten Generation europäischer GaN-Geräte. Neben dem Nachweis der Fähigkeit, effizientere und kompaktere Anwendungen durch den Einsatz von GaN-Bauelementen zu erreichen, machten diese Projekte deutlich, dass die Herausforderungen der GaN-Technologien stark unterschätzt wurden. Daraus ergibt sich eindeutig die Notwendigkeit, GaN weiter zu untersuchen und die Forschungsaktivitäten auf Größenreduzierung, Kosteneffizienz und Zuverlässigkeit bei der Bewältigung großer Herausforderungen zu konzentrieren:
 

• Höhere elektrische Felder (Driftphänomene, die die Lebensdauer beeinflussen),

• Höhere Stromdichten (Elektromigration wirkt sich auf die Lebensdauer aus),

• Höhere Leistungsdichten (thermische Probleme, die das Kompaktheitspotenzial einschränken).

Diese Herausforderungen bilden eine "rote Ziegelwand" für die nächsten Generationen der GaN on Si-Technologie, die das Schrumpfen von GaN-Bauteilen behindert, was notwendig ist, um deren Erschwinglichkeit zu verbessern und damit das Spektrum der Einsatzmöglichkeiten zu erweitern.

Der RIA-Projektvorschlag UltimateGaN wird die rote Ziegelwand überwinden und sich auf die GaN-Technologie der nächsten Generation konzentrieren, die insbesondere sechs Hauptziele entlang und über die gesamte vertikale Wertschöpfungskette der Leistungs- und Hochfrequenzelektronik (RF) verfolgt:

• Forschung an vertikalen Power-GaN-Prozessen und -Vorrichtungen, die die Leistung über den aktuellen Stand der Technik hinaus steigern,

• Forschung an lateralen GaN-Technologien und -Geräten, um die beste Leistungsdichte und -effizienz ihrer Klasse zu erreichen und gleichzeitig die Kosten und die Leistung zu optimieren,

• Dadurch wird die Leistung von GaN auf Silizium-HF nahe an GaN auf Siliziumkarbid herangeführt und ein kostengünstiger 5G-Rollout ermöglicht,

• Überschreitung der Verpackungsgrenzen - Größe, elektrische und thermische Einschränkungen - für leistungsstarke GaN-Stromerzeugnisse,

• Schließen Sie die Lücke zwischen Zuverlässigkeit und Fehlerdichte für die meisten innovativen GaN-Geräte,

• Demonstration der europäischen Führungsrolle in den Bereichen Hochleistungselektronik und HF-Anwendungen.

Die ersten drei Ziele sind GaN-Technologie, die darauf abzielt, die Grenzen durch alternative Geräte- und Prozesskonzepte zu erkunden. Das vierte Ziel wird der Tatsache Rechnung tragen, dass die hervorragende Halbleiterleistung von GaN nur dann genutzt werden kann, wenn Montage/Gehäuse, Verbindungen und verbessertes Wärmemanagement in einem ganzheitlichen Ansatz optimiert werden. Die Gehäuse, die die einzigartige Leistung von Hochleistungs-GaN-Bauelementen voll ausschöpfen, sind heute noch nicht fertig und bedürfen daher weiterer Untersuchungen.

Die Bildung von Kristalldefekten, insbesondere an der GaN auf der Si-Schnittstelle, ist eines der größten Hindernisse für die Ausbeute und Zuverlässigkeit konkurrierender Si-basierter Technologien. Daher ist ein weiteres Hauptziel von UltimateGaN die Vermeidung dieser Defekte in der nächsten Generation von GaN auf Si-Bauelementen.

Die Forschungsergebnisse aus den Technologie- und Verpackungszielen werden im Rahmen des letzten Ziels, das sich mit anspruchsvollen Anwendungsfeldern für diese Hochleistungsgeräte befasst, genutzt und demonstriert. Unter anderem sind diese Anwendungsbereiche:

• Extrem effiziente Server-Stromversorgung für einen geringeren Energieverbrauch in Rechenzentren (5G: Digitalisierungs-Backbone),

• Benchmarking von Photovoltaik-Wechselrichtern in Bezug auf Effizienz und Größe zur Förderung der Nutzung erneuerbarer Energien (Smart Grids: Energy Backbone),

• Preiswerte 5G-Verstärker bis zur mm-Welle ermöglichen einen schnelleren 5G-Rollout (5G: Digitalisierungs-Backbone),

• GaN-fähige, ultraschnell schaltende LIDAR-Anwendung für autonomes Fahren (Smart Mobility),

• Höchster Wirkungsgrad μ-Netz-Wandler und On-Board-Ladegeräte (Smart Grids; Smart Mobility).

Das Projekt UltimateGaN wird höchste Effizienz in den spezifischen Bereichen der ausgewählten Anwendungen ermöglichen und zu einer signifikanten Reduzierung des CO2-Fußabdrucks durch Digitalisierung, intelligente Netze und intelligente Mobilität führen. Um die Rolle Europas in der Zukunft des GaN-Geschäfts zu stärken, müssen erhebliche Anstrengungen unternommen werden, um erschwingliche GaN auf Si-Transistoren der nächsten Generation zu erreichen. Da auch US-amerikanische und asiatische Unternehmen stark in diese Richtung investieren, ist es für Europa von größter Bedeutung, den Fortschritt in Richtung der nächsten Technologiegenerationen zu beschleunigen.

Teilnehmer: Österreich - Österreich Technologie & Systemtechnik AG, Infineon Technologies Österreich
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 - Slowakische Technische Universität 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

Gefördert durch das Programm ECSEL JU (Electronic Component Systems for European Leadership Joint Undertaking) der Europäischen Union und kofinanziert durch die FFG (The Austrian Research Promotion Agency).

Pressemitteilung

Video: UltimateGaN Project