Galliumnitrid GaN – das nächste große Ding

1906 erfanden Lee Dee Forest und Robert von Liebe die erste Vakuumröhren-Triode, die zunächst genutzt wurde, um Telefon- und Radiosignale zu verstärken. Die breite Nutzung dieses Transistorvorgängers hielt sich jedoch in Grenzen, bis Bell Laboratories 1947 den ersten funktionierenden Transistor entwickelte, der auf Germanium basierte. Sieben Jahre später, 1954, erfanden Morris Tanenbaum und Calvin Fuller von den Bell Laboratories den ersten Siliziumtransistor. 1959 entwickelten Atalla Mohamed und Kahng Dawon schließlich MOSFET: Dies ermöglichte den Bau des Vorgängers der uns heute bekannten integrierten Schaltkreise (ICs).

Erste Vakuumröhren-Triode (links) / Erster Germanium-Transistor (rechts)

Im Laufe der Jahre wurden Siliziumtransistoren stetig weiterentwickelt und schließlich auf verschiedene Anwendungsgebiete spezialisiert: Speicher, Mikrocontroller, Stromversorgung – jeder dieser Bereiche stellt ganz eigene Herausforderungen. Nehmen wir als Beispiel einmal die „Stromversorgung“: Jahrelang arbeiteten Ingenieure überwiegend mit Linearreglern, bis ab 1970 verlustarme Ferrite verfügbar waren, die die überlegenen Vorteile von Schaltnetzteilen demonstrierten. Damals wurden 20 kHz noch als Hochfrequenz eingestuft und waren, weil unhörbar, äußerst beliebt. Anfang der 1980er Jahre explodierte die Inbetriebnahme förmlich. Es kam zu immer weiteren Verbesserungen der SMPS-Frequenz, bis sie im Bereich 100 kHz bis 1 MHz lag, womit sich die Größe der Stromversorgung erheblich reduzieren ließ. Seither stiegen die Anforderungen an die Stromversorgung weiter. Im Siegeszug von elektronischen Geräten wie Computern, Smartphones, Tablets, Laptops, IoT etc. musste sie immer kleiner und gleichzeitig immer leistungsfähiger werden.

Zwischen 2000 und 2010 baute die Industrie auf Silizium (Si), um Verbesserungen an der Stromversorgung vorzunehmen. Mittlerweile sind die Möglichkeiten des Siliziums jedoch ausgereizt und hinsichtlich Packaging and Manufacturing kann nicht mehr viel verbessert werden. Es werden neue Materialien benötigt, um die Designs weiter zu verbessern und um so den modernen Erwartungen und Bedürfnissen an Leistungsdichte und Effizienz der Stromversorgung gerecht werden zu können. Zum Glück scheint es mit Galliumnitrid (GaN) ein Material zu geben, das dies ermöglicht. Seit den 1990er Jahren wird Galliumnitrid in LEDs verwendet. Der große Bandabstand und zahlreiche Legierungen ermöglichen Tageslicht-LEDs, eine genaue Farbwiedergabe und ganz neue Anwendungen wie LED-Screens. Doch wie lässt sich Galliumnitrid für Schaltnetzteile einsetzen?

Vorteile von Galliumnitrid

Folgende Tabelle zeigt einen Vergleich zwischen Silizium und Galliumnitrid. Es zeigt sich, dass nicht nur der RDSON kleiner, sondern die gesamte parasitäre Kapazität geringer ist. Dies bringt gegenüber Silizium zwei Vorteile mit sich:

- Einen höheren Wirkungsgrad und niedrigere Temperaturen bei voller Belastung

- Die Fähigkeit zu einer höheren Schaltfrequenz ermöglicht den Bau einer kleineren Stromversorgung.

Entwickler nutzen je nach Anwendung, die erstellt werden soll, den einen oder den anderen Vorteil für sich. So profitiert der DC/DC-Wandler in einem Smartphone oder Laptop von den kühleren Temperaturen – schließlich will niemand ein glühend heißes Gerät in den Händen halten. Sie ziehen aber auch einen Vorteil aus der Fähigkeit zur hohen Schaltfrequenz, die es erlaubt, das Design zu verkleinern, womit auch das Gerät verkleinert oder mehr Funktionen untergebracht werden können. Der offensichtlichste Vorteil ist vielleicht, dass die Lebensdauer der Batterie durch die effizientere Stromumwandlung verlängert werden kann.

Aber auch andere Industrien können von den hohen Schaltfrequenzen profitieren: LiDar-Systeme nutzen Laserimpulse, um in kürzester Zeit ein dreidimensionales Abbild der Umgebung zu erstellen. Zum Einsatz kommen sie bei geologischen Untersuchungen, in der Meteorologie, der Erkundung zu Vorkommen natürlicher Ressourcen in jüngster Zeit auch in der Automobilindustrie. Die folgenden Bilder zeigen, wie stark GaN in LiDar-Geräten die Auflösung der Abbildung positiv beeinflusst. Das detaillierte Erfassen und Verarbeiten von Umgebungsdaten ist der Schlüssel für die Sicherheit des autonomen Fahrens – Fehlinterpretationen müssen schließlich ausgeschlossen werden.

Würth Elektronik und neue Halbleiter

2015 verursachte der Energieverbrauch für die Nutzung von Internet und elektronischer Geräte so viel CO2 wie die Luftfahrtindustrie. Und tatsächlich verdoppelt sich der CO2-Ausstoß seither jedes Jahr! In vielen Bereichen wird nach Verbesserungen geforscht, um die Auswirkungen auf unseren Planeten abzuschwächen – auch im Power Design.

Auch Hochleistungsanwendungen haben die Grenzen von Standard-Silizium bereits ausgereizt. Um ihre Designs weiter zu verbessern, haben Ingenieure damit begonnen, Siliziumkarbid-Halbleiter zu entwickeln. Genauso wie Galliumnitrid erlaubt auch Siliziumkarbid höhere Schaltfrequenzen und kleinere Designs. Folgende Grafik zeigt, welches Material je nach angestrebter Leistung und Frequenz verwendet werden kann. Weil kleinere Geräte tendenziell effizienter und günstiger sind, neigt auch die Industrie dazu, Materialien zu entwickeln, die schneller geschaltet werden können.

Würth Elektronik ist in Europa der führende Hersteller elektronischer und elektromagnetischer Bauelemente. Unsere große Produktvielfalt erfüllt die Anforderungen neuer Halbleiter-Materialien. Wir gehen davon aus, dass Galliumnitrid und Siliziumkarbid in Zukunft die dominanten Materialien für die Leistungselektronik sein werden. Aus diesem Grund arbeiten wir für die Entwicklung unserer neuen Produktgeneration eng mit IC-Herstellern zusammen – besonders mit GaN-Pionieren wie Texas Instruments, Efficient Power Conversion und Navitas Semiconductors. Zusammen mit solch hochkarätigen Partnern bieten wir unseren Kunden die besten Produkte und auf Herz und Nieren geprüfte Lösungen an. Neugierig geworden?