Algemeen
Galliumnitride transistoren
Een printplaat voor onderzoek naar de schakeleigenschappen van GaN-hoogspanningstransistoren (foto: Fraunhofer-IAF).

Elektronische componenten op basis van galliumnitride (GaN) gaan door hun fysische eigenschappen zuiniger om met energie en hebben minder koeling nodig om te werken dan silicium onderdelen. Een onderzoeksgroep onder leiding van het Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik (IAF) ontwerpt een nieuwe generatie spanningsomvormers. De verbeterde galliumnitride-technologie belooft snelle en betrouwbare systemen, ook bij hoge temperaturen. Met nieuwe, goedkopere productietechnieken zouden ze snel in serieproductie kunnen gaan.

Het onderzoeks- en ontwikkelingsproject Zukünftige effiziente Energiewandlung mit Galliumnitrid-basierter Leistungselektronik der nächsten Generation (ZuGaNG) moet leiden tot een nieuwe generatie producten voor vermogenselektronica op basis van nieuwe materiaaltechnologieën. In het kader van dit project ontwikkelen wetenschappers uit industrie en onderzoeksinstituten hoogspanningstransistoren op basis van galliumnitride. Het project is onderdeel van het onderzoeksprogramma ‘elektronica voor de energie van de toekomst’.

Betere prestaties, lagere kosten

Door verdere ontwikkeling van deze technologie willen de wetenschappers een belangrijke verhoging van het energetisch rendement van spanningsomvormers krijgen. Ook willen ze een besparing tot 50% op de productiekosten van galliumnitride vermogenstransistoren realiseren. Door de hoge schakelfrequentie verminderen de transistoren de verliezen binnen spanningsomvormers en werken ze ook efficiënt bij hoge temperaturen.

De eigenschappen van de halfgeleider galliumnitride, zoals de grotere beweeglijkheid van elektronen en de kritische veldsterkte, zorgen voor een hogere levensduur en robuustheid van deze transistoren ten opzichte van silicium componenten. Door de hogere frequentie van de transistoren is bovendien een miniaturisering van de systemen mogelijk, omdat passieve componenten kleiner zijn uit te voeren. Door het geringere volume, minder behoefte aan koeling en een kleiner aantal benodigd modules kunnen ook de productie- en operationele kosten dalen.

Samenwerking

Samen met partners uit industrie en onderzoek werken de wetenschappers van Fraunhofer IAF aan de ontwikkeling van nieuwe concepten voor ontwerp, materiaalproductie en procestechnologie voor de productie van vermogenselektronica componenten.

De eerste demonstratiemodellen kunnen binnenkort de prestaties van de spanningsomvormers aantonen. Er wordt gedacht aan toepassingen in verwarmings-, productie- en huishoudelijke technieken, elektromobiliteit en de opwekking van regeneratieve energie. De vermogenstransistoren kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt in pompmotoren voor wasmachines, generatoren voor plasma- en lasersystemen of fotovoltaïsche systemen.

Behalve de opbouw van demonstratiemodellen onderzoeken de projectpartners de karakterisering van de galliumnitride transistoren teneinde een brede kennis te verwerven van de correlatie tussen de productie aan de ene kant en structurele, elektrische en thermische eigenschappen aan de andere kant. Bovendien moet de technologie met betrekking tot de betrouwbaarheid en robuustheid worden geoptimaliseerd om ze geschikt te maken voor productie op industriële schaal.

Galliumnitride in een CMOS-omgeving

Een innovatieve benadering voor het verminderen van de productiekosten is het opnemen van de galliumnitride gebaseerde transistoren in CMOS (Complementary metal-oxide semi-conductor) productielijnen, die goedkope serieproductie mogelijk maken. Bovendien moet in de komende jaren het integratiepotentiaal, de grote doorvoer en de uitstekende functionaliteit van de silicium-CMOS-technologie met een hoge elektrische vermogensdichtheid en robuustheid van de galliumnitride componenten worden gecombineerd, om de veelbelovende mogelijkheden voor een geoptimaliseerde vermogenselektronica bruikbaar te maken.

In het project werken industriële en onderzoeksinstellingen onder de projectleiding van Fraunhofer-IAF samen binnen een interdisciplinair verband. Ze bestrijken de totale productieketen voor de toekomstige productie. Deelnemers zijn Robert Bosch, Trumpf Hüttinger, Kaco New Energy, X-Fab Semiconductor Foundries, Lewicki Microelectronic, EDC Electronic Design Chemnitz, het Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie (ISIT), het Ferdinand-Braun-Institut, de Universität Erlangen, de Hochschule Reutlingen en de Universität Magdeburg.

x
Mis niet langer het laatste nieuws

Schrijf u nu in voor onze nieuwsbrief.

Inschrijven