GaAs-Leistungshalbleiter als Ergänzung zu SiC und GaN

| Redakteur: Gerd Kucera

Bild 1: Einordnung der 35PE-GaAs-Technologie im Vergleich zu Si, SiC und GaN:Si
Bild 1: Einordnung der 35PE-GaAs-Technologie im Vergleich zu Si, SiC und GaN:Si (Bild: Prof. Dr. J. Lutz, TU Chemnitz/35PE)

Mit einer neuen Technologie für Hochspannungs- und Hochstrom- Anwendungen in der Leistungselektronik geht 3-5 Power Electronics im Technologiezentrum Dresden an den Start.

Eine Ergänzung der bisher auf dem Markt offerierten Leistungshalbleiter Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) durch das seit Jahrzehnten im Niedervoltbereich eingesetzte Halbleitermaterial GaAs, ist eines der Ziele von Gerhard Bolenz und Volker Dudek, die gemeinsam mit Richard J. Kulle in Dresden die 3-5 Power Electronics gegründet haben. Galliumarsenid-Leistungshalbleiter hätten vergleichbare oder in bestimmten Applikationen sogar bessere Eigenschaften als die beiden Wide-Bandgap-Materialien SiC und GaN.

Nach Gründung der 3-5 Power Electronics 2015 in Dresden konzentriert sich der Start-up nun auf die Entwicklung und Herstellung von Galliumarsenid-Leistungshalbleitern (GaAs); dazu wurde im April 2018 im Technologiezentrum Dresden eine erste Fertigungsanlage in Betrieb genommen.

Nachdem ein Herstellungsverfahren für geeignete GaAs-Epitaxie-Schichten entwickelt wurden, beginnt mit Phase 1 die Herstellung von GaAs-Leistungshalbleitern-Dioden und in Phase 2 die Produktion von Transistoren und IGBTs, „welche die technisch-physikalischen Limitierungen von Silizium-Leistungshalbleiter leistungsmäßig um Faktoren verbessern“, heißt es.

Silizium erreicht nicht die nötige Leistungsfähigkeit

„Die heute in den vielen unterschiedlichen Anwendungen fest etablierte Silizium-Halbleitertechnik erreicht nicht die Leistungsfähigkeit, die zukünftig beispielsweise zur Umsetzung von Industrie 4.0-tauglichen Technologien oder für den Durchbruch der Elektromobilität gebraucht wird“, beschreiben Bolenz und Dudek die derzeitige Situation. Mit den in Dresden gefertigten Galliumarsenid-Strukturen wollen sie die geforderte Leistungsdichte, Effizienz und Zuverlässigkeit in einem sehr kompakten System zur Verfügung stellen. Das Team von 35PE, so die Kurzform der neuen Technologiefirma, habe langjährige Halbleitererfahrung in der Technologieentwicklung sowie im Aufbau und in der Führung von Halbleiternunternehmen.

Die Anlage veredelt GaAs-Wafer im Hochvakuum

In ihrer Anlage veredelt 35PE GaAs-Wafer im Hochvakuum zu GaAs-Leistungshalbleitern. Das Unternehmen habe sich mit dieser Innovation eine Alleinstellung geschaffen. Für Prozesstechnologie, Material- sowie Bauelemente-Designs sind aktuell zwölf Patente in Europa, China, Japan und den USA angemeldet und registriert, weitere Anmeldungen laufen.

Gearbeitet wird nach dem Geschäftsmodell Fab-Lite, d.h. 35PE realisiert inhouse die Kernprozesse und vergibt Standardleistungen an Auftragsfertiger. Die so entstehenden GaAs-Dioden erfüllen laut Management die Anforderungen, die beispielsweise an die Leistungselektronik in modernen Industrieanwendungen, in der regenerativen Energieerzeugung oder in vollelektrischen bzw. Hybridfahrzeugen gestellt werden. Sie ergänzen im Mittel- und Hochvoltbereich zwischen 600- und 1700-V-Leistungselektronik auf Silizium- bzw. Siliziumkarbid-Basis und punkten nach eigenen Angaben bei alledem mit einer höheren Energieeffizienz sowie einer Reduzierung bei Gewicht, Größe und Gesamtkosten des jeweiligen Gesamtsystems.

Internationales Netzwerk mit strategischen Partnern

35PE besitzt mit seinen Produkten und seinem Knowhow eine hervorragende Position, erklären die Manager, um am prognostizierten hohen Wachstum auf dem Markt für Leistungselektronik zu partizipieren, das vor allem in Fernost erzielt wird. Neben eigenen Vertriebsaktivitäten in Europa und Amerika ermöglicht ein internationales Netzwerk mit strategischen Partnern in China und Japan einen schnellen Markteintritt in Asien.

Weitere Partnerschaften werden gegenwärtig vor Ort aufgebaut: „Als wir nach einem Standort gesucht haben, war das Silicon Saxony mit Dresden als Zentrum erste Wahl. Wir sehen hier gute Chancen, gemeinsam mit weiteren Spezialisten in der Halbleiter-Forschung und -Industrie ein Kompetenzzentrum für Galliumarsenid-Leistungselektronik zu etablieren und damit auch global auszustrahlen“, benennen Bolenz und Dudek ein wesentliches Ziel ihrer Ansiedlung in Sachsen. Aktuell beschäftigt 3-5 Power Electronics sechs Mitarbeiter; in etwa drei Jahren sollen es dann mehr als 20 sein.

Als Anwendungsebiete werden genannt: induktives Laden von Batterien, induktives Erwärmen und Schweißen, Leistungsfaktorkorrekturfilter in Schaltanlagen, Schaltnetzteile, Elektro- und Hybrid-Fahrzeuge, Solar-Inverter, unterbrechungsfreie Stromversorgung, Motorsteuerungen und Leistungselektronik für Windkraftanlagen.

Ein Plädoyer für den Einsatz von SiC-Devices

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