Galliumnitrid und Siliziumkarbid kämpfen um die Vorherrschaft im Bereich der grünen Technologien

Unabhängig davon, wer gewinnt, werden sie die Treibhausgasemissionen um Milliarden Tonnen reduzieren

Galliumnitrid-Halbleiterwafer spiegeln den Autor Umesh Mishra gut wider.

Können fortgeschrittene Halbleiter Können wir den Ausstoß von Treibhausgasen ausreichend reduzieren, um im Kampf gegen den Klimawandel einen Unterschied zu machen? Die Antwort ist ein klares Ja. Ein solcher Wandel ist tatsächlich in vollem Gange.

Ab etwa 2001 löste der Verbindungshalbleiter Galliumnitrid eine Revolution in der Beleuchtung aus, die in gewisser Weise der schnellste Technologiewandel in der Geschichte der Menschheit war. Laut einer Studie der Internationalen Energieagentur ist der Anteil Galliumnitrid-basierter Leuchtdioden am weltweiten Beleuchtungsmarkt in nur zwei Jahrzehnten von null auf über 50 Prozent gestiegen. Das Forschungsunternehmen Mordor Intelligence prognostizierte kürzlich, dass LED-Beleuchtung in den nächsten sieben Jahren weltweit dazu führen wird, dass der Stromverbrauch für die Beleuchtung um 30 bis 40 Prozent sinkt. Nach Angaben des Umweltprogramms der Vereinten Nationen ist die Beleuchtung weltweit für etwa 20 Prozent des Stromverbrauchs und 6 Prozent der Kohlendioxidemissionen verantwortlich.

Jeder Wafer enthält Hunderte hochmoderner Leistungstransistoren von Peter Adams

Diese Revolution ist noch lange nicht abgeschlossen. Tatsächlich ist es dabei, auf ein höheres Niveau zu springen. Die Halbleitertechnologie Galliumnitrid (GaN), die die Beleuchtungsindustrie verändert hat, ist auch Teil einer Revolution in der Leistungselektronik, die jetzt Fahrt aufnimmt. Es ist einer von zwei Halbleitern – der andere ist Siliziumkarbid (SiC) –, die begonnen haben, siliziumbasierte Elektronik in riesigen und wichtigen Kategorien der Leistungselektronik zu verdrängen.

GaN- und SiC-Geräte sind leistungsfähiger und effizienter als die Siliziumkomponenten, die sie ersetzen. Es gibt unzählige Milliarden dieser Geräte auf der ganzen Welt, und viele von ihnen sind täglich stundenlang in Betrieb, sodass die Energieeinsparungen erheblich sein werden. Der Aufstieg der GaN- und SiC-Leistungselektronik wird letztendlich größere positive Auswirkungen auf das Klima des Planeten haben als der Ersatz von Glühlampen und anderen herkömmlichen Beleuchtungsmitteln durch GaN-LEDs.

Praktisch überall dort, wo Wechselstrom in Gleichstrom umgewandelt werden muss oder umgekehrt, werden weniger Watt verschwendet. Diese Umwandlung erfolgt im Wandladegerät Ihres Telefons oder Laptops, in den viel größeren Ladegeräten und Wechselrichtern, die Elektrofahrzeuge antreiben, und anderswo. Und es wird ähnliche Einsparungen geben, da auch andere Silizium-Hochburgen den neuen Halbleitern zum Opfer fallen. Drahtlose Basisstationsverstärker gehören zu den wachsenden Anwendungen, bei denen diese neuen Halbleiter eindeutig überlegen sind. Im Bemühen, den Klimawandel einzudämmen, ist die Vermeidung von Verschwendung beim Stromverbrauch das wichtigste Ziel, und diese Halbleiter sind die Art und Weise, wie wir sie ernten werden.

Dies ist ein neues Beispiel für ein bekanntes Muster in der Technologiegeschichte: zwei konkurrierende Innovationen kommen gleichzeitig zum Tragen. Wie wird sich das alles entwickeln? In welchen Anwendungen wird SiC dominieren und in welchen wird sich GaN durchsetzen? Ein genauer Blick auf die relativen Stärken dieser beiden Halbleiter gibt uns einige solide Hinweise.

Bevor wir zu den Halbleitern selbst kommen, überlegen wir zunächst, warum wir sie brauchen. Zunächst einmal: Stromumwandlung ist überall. Und es geht weit über die kleinen Ladegeräte hinaus, die unsere Smartphones, Tablets, Laptops und unzählige andere Geräte mit Strom versorgen.

Bei der Energieumwandlung handelt es sich um den Prozess, bei dem Elektrizität von der verfügbaren Form in die Form umgewandelt wird, die ein Produkt benötigt, um seine Funktion zu erfüllen. Bei dieser Umwandlung geht immer etwas Energie verloren, und da einige dieser Produkte kontinuierlich laufen, können die Energieeinsparungen enorm sein. Bedenken Sie: Der Stromverbrauch im Bundesstaat Kalifornien blieb seit 1980 im Wesentlichen gleich, obwohl die Wirtschaftsleistung des Bundesstaates sprunghaft anstieg. Einer der wichtigsten Gründe dafür, dass die Nachfrage stagnierte, ist, dass die Effizienz von Kühlschränken und Klimaanlagen in diesem Zeitraum enorm zunahm. Der größte Faktor für diese Verbesserung war der Einsatz von Antrieben mit variabler Geschwindigkeit auf Basis des Insulated-Gate-Bipolartransistors (IGBT) und anderer Leistungselektronik, die den Wirkungsgrad erheblich steigerten.

Auf den Märkten für Hochspannungs-Leistungstransistoren dominieren Galliumnitrid-Geräte bei Anwendungen unter etwa 400 Volt, während Siliziumkarbid jetzt bei 800 V und darüber die Nase vorn hat (über etwa 2.000 V sind die Märkte relativ klein). Die Landschaft auf dem wichtigen Schlachtfeld zwischen 400 und 1.000 V wird sich mit der Verbesserung der GaN-Geräte verändern. Mit der Einführung von 1.200-V-GaN-Transistoren – die für 2025 erwartet wird – wird sich der Kampf beispielsweise auf dem wichtigen Markt für Wechselrichter für Elektrofahrzeuge verschärfen.Chris Philpot

SiC und GaN werden eine weitaus größere Reduzierung der Emissionen ermöglichen. Laut einer Analyse öffentlich verfügbarer Daten von Transphorm, einem GaN-Geräteunternehmen, das ich 2007 mitbegründet habe, könnten allein GaN-basierte Technologien im Jahr 2041 allein in den Vereinigten Staaten und Indien zu einer Einsparung von über 1 Milliarde Tonnen Treibhausgasen führen Die Daten stammen von der Internationalen Energieagentur, Statista und anderen Quellen. Die gleiche Analyse zeigt eine Energieeinsparung von 1.400 Terawattstunden – oder 10 bis 15 Prozent des prognostizierten Energieverbrauchs der beiden Länder in diesem Jahr.

Wie ein gewöhnlicher Transistor kann ein Leistungstransistor als Verstärkerelement oder als Schalter fungieren. Ein wichtiges Beispiel für die verstärkende Rolle sind drahtlose Basisstationen, die Signale für die Übertragung an Smartphones verstärken. Überall auf der Welt verlagert sich der Halbleiter, der zur Herstellung der Transistoren in diesen Verstärkern verwendet wird, von einer Siliziumtechnologie, die als lateral diffundierter Metalloxidhalbleiter (LDMOS) bezeichnet wird, hin zu GaN. Die neuere Technologie bietet viele Vorteile, darunter eine Verbesserung der Energieeffizienz um 10 Prozent oder mehr je nach Frequenz. Bei Leistungsumwandlungsanwendungen hingegen fungiert der Transistor als Schalter und nicht als Verstärker. Die Standardtechnik heißt Pulsweitenmodulation. Bei einer herkömmlichen Art von Motorsteuerung werden beispielsweise Gleichstromimpulse an Spulen geleitet, die am Rotor des Motors angebracht sind. Diese Impulse erzeugen ein Magnetfeld, das mit dem des Stators des Motors interagiert und so den Rotor in Drehung versetzt. Die Geschwindigkeit dieser Drehung wird durch Ändern der Länge der Impulse gesteuert: Ein Diagramm dieser Impulse ist eine Rechteckwelle, und je länger die Impulse „ein“ statt „aus“ sind, desto mehr Drehzahl und Drehmoment liefert der Motor. Leistungstransistoren übernehmen das Ein- und Ausschalten.

Dieser Artikel wurde gemeinsam von IEEE Spectrum und Proceedings of the IEEE erstellt, wobei ähnliche Versionen in beiden Publikationen veröffentlicht wurden.

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Pulsweitenmodulation wird auch in Schaltnetzteilen verwendet, einem der häufigsten Beispiele für die Leistungsumwandlung. Schaltnetzteile werden zur Stromversorgung praktisch aller PCs, Mobilgeräte und Geräte verwendet, die mit Gleichstrom betrieben werden. Grundsätzlich wird die Eingangswechselspannung in Gleichspannung umgewandelt und diese Gleichspannung dann in eine hochfrequente Wechselstrom-Rechteckwelle „zerhackt“. Dieses Zerhacken erfolgt durch Leistungstransistoren, die durch Ein- und Ausschalten des Gleichstroms die Rechteckwelle erzeugen. Die Rechteckwelle wird an einen Transformator angelegt, der die Amplitude der Welle ändert, um die gewünschte Ausgangsspannung zu erzeugen. Um einen konstanten Gleichstromausgang zu erhalten, wird die Spannung vom Transformator gleichgerichtet und gefiltert.

Der wichtige Punkt hierbei ist, dass die Eigenschaften der Leistungstransistoren fast vollständig darüber entscheiden, wie gut die Schaltkreise Pulsweitenmodulation durchführen können – und damit, wie effizient der Controller die Spannung regelt. Ein idealer Leistungstransistor würde im ausgeschalteten Zustand den Stromfluss vollständig blockieren, selbst wenn die angelegte Spannung hoch ist. Diese Eigenschaft wird als hohe elektrische Durchschlagsfeldstärke bezeichnet und gibt an, wie viel Spannung der Halbleiter aushalten kann. Andererseits hätte dieser ideale Transistor im eingeschalteten Zustand einen sehr geringen Widerstand gegen den Stromfluss. Dieses Merkmal resultiert aus der sehr hohen Beweglichkeit der Ladungen – Elektronen und Löcher – innerhalb des Kristallgitters des Halbleiters. Stellen Sie sich Durchbruchfeldstärke und Ladungsmobilität als das Yin und Yang eines Leistungshalbleiters vor.

GaN-Transistoren sind sehr ungewöhnlich, da der größte Teil des durch sie fließenden Stroms auf die Elektronengeschwindigkeit und nicht auf die Elektronenladung zurückzuführen ist.

GaN und SiC kommen diesem Ideal viel näher als die Siliziumhalbleiter, die sie ersetzen. Betrachten Sie zunächst die Durchschlagsfeldstärke. Sowohl GaN als auch SiC gehören zu einer Klasse, die als Halbleiter mit großer Bandlücke bezeichnet wird. Die Bandlücke eines Halbleiters ist definiert als die Energie in Elektronenvolt, die ein Elektron im Halbleitergitter benötigt, um vom Valenzband in das Leitungsband zu springen. Ein Elektron im Valenzband beteiligt sich an der Bindung von Atomen innerhalb des Kristallgitters, während sich Elektronen im Leitungsband frei im Gitter bewegen und Elektrizität leiten können.

In einem Halbleiter mit einer großen Bandlücke sind die Bindungen zwischen den Atomen stark, sodass das Material normalerweise relativ hohen Spannungen standhalten kann, bevor die Bindungen aufbrechen und der Transistor ausfällt. Die Bandlücke von Silizium beträgt 1,12 Elektronenvolt, verglichen mit 3,40 eV für GaN. Für den häufigsten SiC-Typ beträgt die Bandlücke 3,26 eV. [Siehe Tabelle unten, „Die Wide-Bandgap-Menagerie“]

Betriebsgeschwindigkeit und die Fähigkeit, Hochspannung zu blockieren, sind zwei der wichtigsten Eigenschaften eines Leistungstransistors. Diese beiden Eigenschaften werden wiederum durch wichtige physikalische Parameter der Halbleitermaterialien bestimmt, die zur Herstellung des Transistors verwendet werden. Die Geschwindigkeit wird durch die Beweglichkeit und Geschwindigkeit der Ladungen im Halbleiter bestimmt, während die Spannungsblockierung durch die Bandlücke und das elektrische Durchschlagsfeld des Materials bestimmt wird.Quelle: The Application of Third Generation Semiconductor in Power Industry, Yuqian Zhang, E3S Web of Conferences, Band 198 , 2020

Schauen wir uns nun die Mobilität an, die in der Einheit Zentimeter im Quadrat pro Voltsekunde (cm 2/V·s) angegeben wird. Das Produkt aus Mobilität und elektrischem Feld ergibt die Geschwindigkeit des Elektrons. Je höher die Geschwindigkeit, desto höher der Strom, der bei einer bestimmten Menge bewegter Ladung transportiert wird. Für Silizium beträgt dieser Wert 1.450; für SiC liegt er bei etwa 950; und für GaN etwa 2.000. Der ungewöhnlich hohe Wert von GaN ist der Grund dafür, dass es nicht nur in Leistungsumwandlungsanwendungen, sondern auch in Mikrowellenverstärkern eingesetzt werden kann. GaN-Transistoren können Signale mit Frequenzen von bis zu 100 Gigahertz verstärken – weit über den 3 bis 4 GHz, die allgemein als Maximum für Silizium-LDMOS gelten. Als Referenz: Die Millimeterwellenfrequenzen von 5G erreichen ihren Höhepunkt bei 52,6 GHz. Dieses höchste 5G-Band ist noch nicht weit verbreitet, jedoch werden Frequenzen bis zu 75 GHz für die Kommunikation von Schüssel zu Schüssel eingesetzt, und Forscher arbeiten jetzt mit Frequenzen bis zu 140 GHz für die Kommunikation im Zimmer. Der Appetit auf Bandbreite ist unstillbar.

Diese Leistungszahlen sind wichtig, aber sie sind nicht die einzigen Kriterien, anhand derer GaN und SiC für eine bestimmte Anwendung verglichen werden sollten. Weitere entscheidende Faktoren sind Benutzerfreundlichkeit und Kosten, sowohl für die Geräte als auch für die Systeme, in die sie integriert sind. Zusammengenommen erklären diese Faktoren, wo und warum jeder dieser Halbleiter begonnen hat, Silizium zu verdrängen – und wie sich ihre zukünftige Konkurrenz abschwächen könnte.

Der erste kommerziell nutzbare SiC-Transistor, der Silizium überlegen war, wurde 2011 von Cree (heute Wolfspeed) eingeführt. Er konnte 1.200 Volt blockieren und hatte einen respektablen niedrigen Widerstand von 80 Milliohm, wenn er Strom leitete. Heutzutage gibt es drei verschiedene Arten von SiC-Transistoren auf dem Markt. Es gibt einen Trench-MOSFET (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) von Rohm; DMOS (doppelt diffundierte MOS) von Infineon Technologies, ON Semiconductor Corp., STMicroelectronics, Wolfspeed und anderen; und ein Feldeffekttransistor mit vertikalem Übergang von Qorvo.

Einer der großen Vorteile von SiC-MOSFETs ist ihre Ähnlichkeit mit herkömmlichen Silizium-MOSFETs – sogar die Verpackung ist identisch. Ein SiC-MOSFET funktioniert im Wesentlichen auf die gleiche Weise wie ein gewöhnlicher Silizium-MOSFET. Es gibt eine Quelle, ein Tor und einen Abfluss. Wenn das Gerät eingeschaltet ist, fließen Elektronen von einer stark dotierten n-Typ-Quelle über einen leicht dotierten Volumenbereich, bevor sie durch ein leitfähiges Substrat „abgeführt“ werden. Diese Ähnlichkeit bedeutet, dass die Lernkurve für Ingenieure, die auf SiC umsteigen, gering ist.

Im Vergleich zu GaN hat SiC weitere Vorteile. SiC-MOSFETs sind von Natur aus „Fail-Open“-Geräte, was bedeutet, dass der Transistor keinen Strom mehr leitet, wenn die Steuerschaltung aus irgendeinem Grund ausfällt. Dies ist eine wichtige Eigenschaft, da diese Eigenschaft die Möglichkeit weitgehend ausschließt, dass ein Fehler zu einem Kurzschluss und einem Brand oder einer Explosion führen könnte. (Der Preis für diese Funktion ist jedoch eine geringere Elektronenmobilität, die den Widerstand erhöht, wenn das Gerät eingeschaltet ist.)

GaN bringt seine eigenen einzigartigen Vorteile mit sich. Der Halbleiter etablierte sich erstmals im Jahr 2000 kommerziell auf den Märkten für Leuchtdioden und Halbleiterlaser. Es war der erste Halbleiter, der zuverlässig hellgrünes, blaues, violettes und ultraviolettes Licht emittieren konnte. Aber lange vor diesem kommerziellen Durchbruch in der Optoelektronik hatten ich und andere Forscher bereits gezeigt, dass GaN vielversprechend für die Hochleistungselektronik ist. GaN-LEDs setzten sich schnell durch, weil sie eine Lücke für effiziente Beleuchtung füllten. Doch GaN für die Elektronik musste sich als überlegen gegenüber bestehenden Technologien erweisen: insbesondere Silizium-CoolMOS-Transistoren von Infineon für die Leistungselektronik sowie Silizium-LDMOS- und Galliumarsenid-Transistoren für die Hochfrequenzelektronik.

Der Hauptvorteil von GaN ist seine extrem hohe Elektronenmobilität. Elektrischer Strom, der Ladungsfluss, entspricht der Konzentration der Ladungen multipliziert mit ihrer Geschwindigkeit. Sie können also aufgrund einer hohen Konzentration oder einer hohen Geschwindigkeit oder einer Kombination aus beidem einen hohen Strom erhalten. Der GaN-Transistor ist ungewöhnlich, da der größte Teil des durch das Gerät fließenden Stroms eher auf die Elektronengeschwindigkeit als auf die Ladungskonzentration zurückzuführen ist. In der Praxis bedeutet dies, dass im Vergleich zu Si oder SiC weniger Ladung in das Gerät fließen muss, um es ein- oder auszuschalten. Das wiederum reduziert den Energiebedarf für jeden Schaltzyklus und trägt zu einer hohen Effizienz bei.

Einer der beiden Haupttypen von Galliumnitrid-Transistoren wird als Anreicherungstyp-Gerät bezeichnet. Zur Steuerung des Hauptschaltkreises wird ein Gate-Steuerkreis verwendet, der bei etwa 6 Volt arbeitet. Dieser kann 600 V oder mehr sperren, wenn der Steuerkreis ausgeschaltet ist. Wenn das Gerät eingeschaltet ist (wenn 6 V an das Gate angelegt werden), fließen Elektronen in einem flachen Bereich, der als zweidimensionales Elektronengas bezeichnet wird, vom Drain zur Source. In diesem Bereich sind die Elektronen extrem mobil – ein Faktor, der sehr hohe Schaltgeschwindigkeiten ermöglicht – und unter einer Barriere aus Aluminiumgalliumnitrid eingeschlossen. Wenn das Gerät ausgeschaltet ist, werden in der Region unter dem Gate keine Elektronen mehr vorhanden, wodurch der Stromkreis unter dem Gate unterbrochen und der Stromfluss gestoppt wird. Chris Philpot

Mittlerweile ermöglicht die hohe Elektronenmobilität von GaN Schaltgeschwindigkeiten in der Größenordnung von 50 Volt pro Nanosekunde. Diese Eigenschaft bedeutet, dass Leistungswandler auf Basis von GaN-Transistoren effizient bei Frequenzen von mehreren hundert Kilohertz arbeiten, im Gegensatz zu etwa 100 Kilohertz bei Silizium oder SiC.

Zusammengenommen ermöglichen der hohe Wirkungsgrad und die hohe Frequenz, dass der auf GaN-Geräten basierende Leistungswandler recht klein und leicht ist: Ein hoher Wirkungsgrad bedeutet kleinere Kühlkörper, und der Betrieb bei hohen Frequenzen bedeutet, dass auch die Induktivitäten und Kondensatoren sehr klein sein können.

Ein Nachteil von GaN-Halbleitern besteht darin, dass sie noch nicht über eine zuverlässige Isolatortechnologie verfügen. Dies verkompliziert den Entwurf von Geräten, die ausfallsicher sind – das heißt, die bei einem Ausfall des Steuerstromkreises ausfallen.

Es gibt zwei Möglichkeiten, diese normalerweise ausgeschaltete Eigenschaft zu erreichen. Eine besteht darin, den Transistor mit einem Gate-Typ auszustatten, der die Ladung im Kanal entfernt, wenn keine Spannung an das Gate angelegt wird, und das nur dann Strom leitet, wenn an dieses Gate eine positive Spannung angelegt wird. Diese werden als Enhancement-Mode-Geräte bezeichnet. Sie werden beispielsweise von EPC, GaN Systems, Infineon, Innoscience und Navitas angeboten. [Siehe Abbildung „Enhancement-ModeGaNTransistor“]

Die andere Möglichkeit heißt Kaskodenlösung. Es nutzt einen separaten, verlustarmen Silizium-Feldeffekttransistor, um die Ausfallsicherheit des GaN-Transistors zu gewährleisten. Diese Kaskodenlösung wird von Power Integrations, Texas Instruments und Transphorm verwendet. [Siehe Abbildung: „Cascoded Depletion-Mode GaN Transistor“]

Aus Sicherheitsgründen muss der Steuerkreis eines Leistungstransistors bei Ausfall in den offenen Zustand übergehen, ohne dass Strom fließt. Dies ist eine Herausforderung für Galliumnitrid-Bauelemente, da ihnen ein Gate-Isolatormaterial fehlt, das sowohl im Hochspannungs-Sperrzustand als auch im stromführenden Zustand zuverlässig ist. Eine Lösung, die als kaskodierter Verarmungsmodus bezeichnet wird, nutzt ein Niederspannungssignal an einem Silizium-Feldeffekttransistor (FET), um die viel größere Spannung an einem Galliumnitrid-Transistor mit hoher Elektronenmobilität zu steuern [oben rechts]. Fällt die Steuerschaltung aus, sinkt die Spannung am Gate des FET auf Null und dieser leitet keinen Strom mehr [oben links]. Wenn der FET keinen Strom mehr leitet, leitet auch der Galliumnitrid-Transistor nicht mehr, da kein geschlossener Stromkreis mehr zwischen Drain und Source des kombinierten Geräts besteht. Chris Philpot

Kein Vergleich von Halbleitern ist vollständig, ohne die Kosten zu berücksichtigen. Eine grobe Faustregel lautet: Eine kleinere Chipgröße bedeutet geringere Kosten. Die Chipgröße ist der physische Bereich des integrierten Schaltkreises, der die Geräte enthält.

SiC-Geräte haben mittlerweile im Allgemeinen kleinere Chips als GaN-Geräte. Allerdings sind die Substrat- und Herstellungskosten von SiC höher als die von GaN, und im Allgemeinen unterscheiden sich die endgültigen Gerätekosten für Anwendungen mit 5 Kilowatt und mehr heute nicht wesentlich. Zukünftige Trends dürften jedoch GaN begünstigen. Ich stütze diese Überzeugung auf die relative Einfachheit von GaN-Geräten, was bedeutet, dass die Produktionskosten niedrig genug sind, um die größere Chipgröße zu kompensieren.

Damit GaN jedoch für viele Hochleistungsanwendungen geeignet ist, die auch hohe Spannungen erfordern, muss es über ein kostengünstiges Hochleistungsgerät mit einer Nennspannung von 1.200 V verfügen. Schließlich gibt es bereits SiC-Transistoren für diese Spannung. Derzeit sind die nächstgelegenen kommerziell erhältlichen GaN-Transistoren für 900 V ausgelegt und werden von Transphorm hergestellt, das ich zusammen mit Primit Parikh gegründet habe. Kürzlich haben wir auch 1.200-V-Geräte vorgestellt, die auf Saphirsubstraten hergestellt wurden und deren elektrische und thermische Leistung mit denen von SiC-Geräten vergleichbar ist.

Prognosen des Forschungsunternehmens Omdia für 1.200-V-SiC-MOSFETs gehen von einem Preis von 16 Cent pro Ampere im Jahr 2025 aus. Meiner Schätzung nach wird der Preis für 1.200-V-GaN-Transistoren der ersten Generation im Jahr 2025 aufgrund der geringeren Kosten von GaN-Substraten steigen geringer sein als die ihrer SiC-Gegenstücke. Das ist natürlich nur meine Meinung; Wir werden alle mit Sicherheit wissen, wie sich das in ein paar Jahren auswirken wird.

Lassen Sie uns unter Berücksichtigung dieser relativen Vor- und Nachteile einzelne Anwendungen einzeln betrachten und etwas Licht auf die mögliche Entwicklung werfen.

•Wechselrichter und Konverter für Elektrofahrzeuge : Teslas Einführung von SiC im Jahr 2017 für die Bord- oder Traktionswechselrichter seines Modells 3 war ein früher und großer Erfolg für den Halbleiter. Bei einem Elektrofahrzeug wandelt der Traktionswechselrichter den Gleichstrom aus den Batterien in Wechselstrom für den Motor um. Der Wechselrichter steuert auch die Drehzahl des Motors, indem er die Frequenz des Wechselstroms variiert. Nachrichtenberichten zufolge verwenden heute auch Mercedes-Benz und Lucid Motors SiC in ihren Wechselrichtern, und andere Hersteller von Elektrofahrzeugen planen den Einsatz von SiC in kommenden Modellen. Die SiC-Geräte werden von Infineon, OnSemi, Rohm, Wolfspeed und anderen geliefert. Die Leistung von Traktionswechselrichtern für Elektrofahrzeuge reicht typischerweise von etwa 35 kW bis 100 kW für ein kleines Elektrofahrzeug und etwa 400 kW für ein großes Fahrzeug.

Allerdings ist es noch zu früh, diesen Wettbewerb für SiC auszurufen. Wie ich bereits erwähnt habe, müssen GaN-Anbieter ein 1.200-V-Gerät anbieten, um in diesem Markt Fuß zu fassen. Die elektrischen Systeme von Elektrofahrzeugen arbeiten heutzutage normalerweise nur mit 400 Volt, aber der Porsche Taycan verfügt ebenso wie Elektrofahrzeuge von Audi, Hyundai und Kia über ein 800-V-System. Es wird erwartet, dass andere Automobilhersteller ihrem Beispiel in den kommenden Jahren folgen werden. (Der Lucid Air verfügt über ein 900-V-System.) Ich erwarte im Jahr 2025 die ersten kommerziellen 1.200-V-GaN-Transistoren. Diese Geräte werden nicht nur in Fahrzeugen, sondern auch in öffentlichen Hochgeschwindigkeitsladegeräten für Elektrofahrzeuge eingesetzt.

Die mit GaN möglichen höheren Schaltgeschwindigkeiten werden ein großer Vorteil bei Wechselrichtern für Elektrofahrzeuge sein, da diese Schalter sogenannte hartgeschaltete Techniken verwenden. Hier besteht die Möglichkeit zur Leistungssteigerung darin, sehr schnell vom Ein- in den Aus-Zustand umzuschalten, um die Zeit zu minimieren, in der das Gerät sowohl eine hohe Spannung hält als auch einen hohen Strom durchlässt.

Neben einem Wechselrichter verfügt ein Elektrofahrzeug normalerweise auch über einenOnboard-Ladegerät , die das Laden des Fahrzeugs über Netzstrom durch Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom ermöglicht. Auch hier ist GaN aus den gleichen Gründen sehr attraktiv, die es zu einer guten Wahl für Wechselrichter machen.

•Anwendungen im Stromnetz : Die Hochspannungsumwandlung für Geräte mit Nennspannungen von 3 kV und höher wird mindestens im nächsten Jahrzehnt die Domäne von SiC bleiben. Zu diesen Anwendungen gehören Systeme zur Stabilisierung des Netzes, die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom und wieder zurück bei Spannungen auf Übertragungsebene sowie andere Anwendungen.

•Ladegeräte für Telefone, Tablets und Laptops : Ab 2019 sind GaN-basierte Wandladegeräte im Handel von Unternehmen wie GaN Systems, Innoscience, Navitas, Power Integrations und Transphorm erhältlich. Die hohen Schaltgeschwindigkeiten von GaN in Verbindung mit seinen allgemein niedrigeren Kosten haben es zum etablierten Anbieter in Märkten mit geringerer Leistung (25 bis 500 W) gemacht, wo diese Faktoren zusammen mit der geringen Größe und einer robusten Lieferkette von größter Bedeutung sind. Diese frühen GaN-Leistungswandler hatten Schaltfrequenzen von bis zu 300 kHz und einen Wirkungsgrad von über 92 Prozent. Mit Werten von bis zu 30 W pro Kubikzoll (1,83 W/cm3) stellen sie Rekorde für die Leistungsdichte auf – etwa das Doppelte der Dichte der Silizium-basierten Ladegeräte, die sie ersetzen.

Ein automatisiertes Sondensystem legt eine Hochspannung an, um Leistungstransistoren auf einem Wafer einem Stresstest zu unterziehen. Das automatisierte System bei Transphorm testet jeden einzelnen der etwa 500 Würfel innerhalb von Minuten. Peter Adams

•Mikro-Wechselrichter für Solarenergie : Die Solarstromerzeugung hat in den letzten Jahren sowohl im Netzmaßstab als auch bei dezentralen (Haushalts-)Anwendungen stark zugenommen. Für jede Installation ist ein Wechselrichter erforderlich, der den Gleichstrom der Solarmodule in Wechselstrom umwandelt, um ein Haus mit Strom zu versorgen oder den Strom in das Netz einzuspeisen. Heutzutage sind Photovoltaik-Wechselrichter im Netzmaßstab die Domäne von Silizium-IGBTs und SiC-MOSFETs. Aber GaN wird vor allem im dezentralen Solarmarkt Fuß fassen.

Traditionell gab es bei diesen verteilten Anlagen einen einzigen Wechselrichterkasten für alle Solarmodule. Aber zunehmend bevorzugen Installateure Systeme, bei denen es für jedes Panel einen separaten Mikrowechselrichter gibt und der Wechselstrom kombiniert wird, bevor er das Haus mit Strom versorgt oder das Netz einspeist. Eine solche Konfiguration bedeutet, dass das System den Betrieb jedes Panels überwachen kann, um die Leistung des gesamten Arrays zu optimieren.

Mikrowechselrichter oder herkömmliche Wechselrichtersysteme sind für das moderne Rechenzentrum von entscheidender Bedeutung. In Verbindung mit Batterien erzeugen sie eineunterbrechungsfreie Stromversorgung Ausfälle zu verhindern. Außerdem verwenden alle Rechenzentren Schaltkreise zur Leistungsfaktorkorrektur, die die Wechselstromwellenformen der Stromversorgung anpassen, um die Effizienz zu verbessern und Eigenschaften zu beseitigen, die Geräte beschädigen könnten. Und für diese stellt GaN eine verlustarme und wirtschaftliche Lösung dar, die Silizium langsam verdrängt.

•5G- und 6G-Basisstationen : Die überlegene Geschwindigkeit und hohe Leistungsdichte von GaN werden es ihm ermöglichen, Anwendungen im Mikrowellenbereich zu gewinnen und letztendlich zu dominieren, insbesondere 5G- und 6G-Wireless sowie kommerzielles und militärisches Radar. Der Hauptkonkurrent sind hier Arrays aus Silizium-LDMOS-Geräten, die zwar günstiger sind, aber eine geringere Leistung haben. Tatsächlich hat GaN bei Frequenzen von 4 GHz und mehr keinen wirklichen Konkurrenten.

Für 5G- und 6G-Wireless ist die Bandbreite der entscheidende Parameter, da sie bestimmt, wie viele Informationen die Hardware effizient übertragen kann. 5G-Systeme der nächsten Generation werden über eine Bandbreite von fast 1 GHz verfügen und blitzschnelle Video- und andere Anwendungen ermöglichen.

Mikrowellenkommunikationssysteme, die Silizium-auf-Isolator-Technologien verwenden, bieten eine 5G+-Lösung mit Hochfrequenz-Siliziumgeräten, bei denen die geringe Ausgangsleistung jedes Geräts durch große Arrays davon ausgeglichen wird. GaN und Silizium werden in diesem Bereich noch eine Weile nebeneinander existieren. Der Gewinner einer bestimmten Anwendung wird durch einen Kompromiss zwischen Systemarchitektur, Kosten und Leistung ermittelt.

•Radar : Das US-Militär setzt viele bodengestützte Radarsysteme ein, die auf GaN-Elektronik basieren. Dazu gehören das aufgabenorientierte Boden-/Luftradar und das von Northrup-Grumman für das US Marine Corps gebaute Active Electronically Scanned Array Radar. Das SPY6-Radar von Raytheon wurde an die US-Marine geliefert und im Dezember 2022 erstmals auf See getestet. Das System erweitert die Reichweite und Empfindlichkeit von Schiffsradaren erheblich.

Heutzutage dominiert SiC in Wechselrichtern für Elektrofahrzeuge und allgemein überall dort, wo Spannungssperrfähigkeit und Leistungsbelastbarkeit im Vordergrund stehen und die Frequenz niedrig ist. GaN ist die bevorzugte Technologie, wenn es auf die Hochfrequenzleistung ankommt, beispielsweise in Basisstationen für 5G und 6G sowie für Radar- und Hochfrequenz-Leistungsumwandlungsanwendungen wie Wandsteckeradapter, Mikrowechselrichter und Netzteile.

Doch das Tauziehen zwischen GaN und SiC hat gerade erst begonnen. Unabhängig davon, wie sich der Wettbewerb entwickelt, Anwendung für Anwendung und Markt für Markt, können wir mit Sicherheit sagen, dass die Umwelt der Erde ein Gewinner sein wird. Unzählige Milliarden Tonnen Treibhausgase werden in den kommenden Jahren eingespart, da dieser neue Zyklus des technologischen Austauschs und der Erneuerung unaufhaltsam voranschreitet.