Galliumnitrid-basierte LED-Beleuchtung führt bereits heute zu einer enormen Reduzierung des weltweiten Stromverbrauchs, und Prognosen zufolge könnten diese Einsparungen in zehn Jahren bis zu 46 % betragen.
Doch wenn es um den Stromverbrauch geht, gibt es eine andere Elektronik Technologie Das könnte sich als noch wertvoller im entscheidenden Bemühen erweisen, die globalen Kohlenstoffemissionen zu senken, nämlich die Energieumwandlung.
Neben dem Aufstieg von GaN in der Beleuchtung waren auch Fortschritte bei den Verpackungstechnologien für die Leistungselektronik von Bedeutung. Die Einführung von GaN und SiC erfordert innovative Ansätze zur Verwaltung erhöhter Leistungsfähigkeiten. Besonders hervorzuheben sind die jüngsten Entwicklungen in der Kühlkörpertechnologie, die eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der thermischen Leistung von Hochleistungsgeräten und der Gewährleistung ihrer Zuverlässigkeit und Effizienz in verschiedenen Anwendungen spielen.
Den meisten Menschen ist überhaupt nicht bewusst, wie sich die Technologie der Stromumwandlung auf sie auswirkt, aber dieser Prozess findet weltweit viele Billionen Mal am Tag statt und ermöglicht das Funktionieren aller Dinge, von Mobiltelefonen über Elektrofahrzeuge bis hin zu medizinischen und industriellen Systemen. Eigentlich jede Anwendung, bei der elektrischer Wechselstrom in Gleichstrom oder umgekehrt umgewandelt werden muss. Und aufgrund der Ineffizienz der elektronischen Geräte und Systeme, die diesen Prozess ermöglichen, wird täglich eine große Menge der Energie der Erde verschwendet.
Neue Technologien in der Energieumwandlung
Bei der Herstellung von GaN und SiC ist die Wahl des Substrats von entscheidender Bedeutung. Während GaN-auf-Silizium die vorhandene Infrastruktur nutzt und typischerweise auf 650 V begrenzt ist, ermöglicht die Einführung der GaN-auf-Qromis-Substrat-Technologie (QST) dickere Epitaxieschichten. Diese Innovation ermöglicht den Betrieb bei höheren Spannungen, möglicherweise bis zu 1,200 V oder mehr, und erweitert so den Anwendungsbereich von GaN und SiC in Anwendungen der Hochspannungs-Leistungselektronik.
Man kann mit Fug und Recht sagen, dass dank der Entwicklung und Implementierung verschiedener leistungselektronischer Geräte auf elektronischem Weg große Fortschritte bei der Reduzierung solcher Ineffizienzen bei der Stromumwandlung erzielt wurden.
Der Einfluss der GaN-Technologie geht über die traditionelle Leistungselektronik hinaus und hat erheblichen Einfluss auf erneuerbare Energiesysteme. GaN-Geräte sind für ihre hohe Effizienz bekannt und können den CO2-Fußabdruck von Systemen wie Solarmodulen und Windparks erheblich reduzieren und so zu nachhaltigeren und umweltfreundlicheren Energielösungen im Einklang mit globalen Umweltschutzbemühungen beitragen.
Eine Schlüsselrolle dabei spielte der Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT). Dieses Gerät hat bei Stromwandlungsdesigns gute Dienste geleistet und wird dies auch weiterhin tun, insbesondere bei älteren Anwendungen. Aber auf lange Sicht werden Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC) weiterentwickelt. Halbleiter Geräte werden der Weg in die Zukunft sein.
Der Übergang zu größeren Waferdurchmessern bei der Herstellung von GaN und SiC bringt mehrere Herausforderungen mit sich. Stressbewältigung und die Anpassung vorhandener Technologien an größere Wafer sind wesentliche Hürden. Der strategische Wandel hin zu 8-Zoll-Fabriken zielt darauf ab, die Vorteile größerer Wafer zu nutzen, erfordert jedoch einen komplexen und sorgfältigen Entwicklungsprozess, der die Komplexität der Halbleiterfertigung im Bereich fortschrittlicher Materialien wie GaN und SiC unterstreicht.
Der Bandlückenfaktor
Sowohl GaN als auch SiC gehören zu einer Klasse von Bauelementen, die als Halbleiter mit großer Bandlücke bezeichnet werden. Die Bandlücke eines Halbleiters ist definiert als die Energie in Elektronenvolt, die ein Elektron benötigt, um vom Valenzband in das Leitungsband zu springen. Das Valenzband ist einfach die äußerste Elektronenbahn eines Atoms eines bestimmten Materials, die von Elektronen besetzt wird.
Der Energieunterschied zwischen dem höchsten besetzten Energiezustand des Valenzbandes und dem niedrigsten unbesetzten Zustand des Leitungsbandes wird als Bandlücke bezeichnet und gibt Aufschluss über die elektrische Leitfähigkeit eines Materials. Eine große Bandlücke bedeutet, dass viel Energie erforderlich ist, um Valenzelektronen in das Leitungsband anzuregen. Wenn sich hingegen das Valenzband und das Leitungsband überlappen, wie es bei Metallen der Fall ist, können Elektronen leicht zwischen den beiden Bändern springen, was bedeutet, dass das Material als hochleitfähig eingestuft wird.
Der Unterschied zwischen Leitern, Isolatoren und Halbleitern lässt sich daran erkennen, wie groß ihre Bandlücke ist. Isolatoren zeichnen sich durch eine große Bandlücke aus, daher ist eine große Energiemenge erforderlich, um Elektronen aus dem Valenzband zu bewegen und so einen Strom zu erzeugen. Bei Leitern gibt es eine Überlappung zwischen Leitungs- und Valenzband, sodass die Valenzelektronen in solchen Leitern frei sind.
Allerdings haben Halbleiter eine kleine Bandlücke, die es einer kleinen Menge der Valenzelektronen des Materials ermöglicht, in das Leitungsband zu gelangen. Diese Eigenschaft verleiht ihnen eine Leitfähigkeit zwischen Leitern und Isolatoren, weshalb sie sich ideal für Schaltkreise eignen, da sie im Gegensatz zu Leitern keinen Kurzschluss verursachen.
Sowohl GaN- als auch SiC-Geräte haben bereits ein enormes Potenzial zur Steigerung der Effizienz der Stromumwandlung und damit zur Einsparung erheblicher Strommengen gezeigt.
Diese beiden Technologien haben Vorteile gegenüber den anderen, und wenn man diese berücksichtigt, sieht es derzeit so aus, als würden beide einen wertvollen Platz in der Energieumwandlung finden. Aber was sind die Unterschiede?
Der Fail-Open-Faktor
SiC-basierte Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) haben den Vorteil, dass sie ausfallsichere Geräte sind.
Das heißt, wenn ein Stromkreis ausfällt, leitet das Gerät keinen Strom mehr. Dadurch wird die Möglichkeit ausgeschlossen, dass ein Fehler zu einem Kurzschluss und einem möglichen Brand oder einer Explosion führen könnte. Diese vorteilhafte und manchmal wesentliche Eigenschaft bedeutet jedoch, dass sich die Elektronen nicht so schnell bewegen, was leider den Widerstand erhöht, der der Hauptfeind einer effizienten Energieumwandlung ist.
Geben Sie GaN-basierte Geräte ein, die über eine hohe Elektronenmobilität verfügen. GaN-Transistoren unterscheiden sich darin, dass der größte Teil des durch das Gerät fließenden Stroms auf die Elektronengeschwindigkeit und nicht auf die Ladungsmenge zurückzuführen ist. Das bedeutet, dass die Ladung in das Gerät gelangen muss, um es ein- oder auszuschalten. Dadurch wird die für jeden Schaltzyklus benötigte Energie reduziert und eine effizientere Energieumwandlung ermöglicht.
Aber anstatt eine bestimmte Technologie als Gewinner zu betrachten, muss man bedenken, dass manchmal die unterschiedlichen Betriebseigenschaften und die daraus resultierenden Vorteile von GaN und SiC in bestimmten Anwendungen von Vorteil sein können.
Werfen wir einen Blick auf die Autohersteller und ihre Entscheidungen, wenn es um Entscheidungen mit großer Bandlücke in Bezug auf die Konstruktion von Elektrofahrzeugen (EV) geht, und insbesondere auf die Arbeit, die der Wechselrichter des Fahrzeugs leistet, also im Wesentlichen die Stromumwandlung.
Elektrofahrzeuge benötigen einen Wechselrichter, um Gleichstrom aus der Lithiumbatterie in Wechselstrom umzuwandeln, den der Elektromotor des Fahrzeugs nutzen kann. Elon Musk entschied sich für Lieferanten von SiC-Geräten für seine Tesla-Autos, und nun sind die chinesischen Fahrzeughersteller BYD, Toyota, Hyundai und Mercedes diesem Beispiel gefolgt.
Allerdings haben SiC-Bauteile bei den Automobilherstellern nicht alles, was sie wollen.
Die mit GaN möglichen höheren Schaltgeschwindigkeiten sind ein großer Vorteil bei Wechselrichtern für Elektrofahrzeuge, da sie hart schalten. Dadurch wird die Leistung durch schnelles Umschalten vom Ein- in den Aus-Zustand verbessert, um die Zeit zu verkürzen, in der das Gerät Hochspannung hält und hohen Strom weiterleitet.
Neben einem Wechselrichter verfügt ein Elektrofahrzeug in der Regel auch über ein integriertes Ladegerät, das das Laden des Fahrzeugs über Netzstrom durch Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom ermöglicht. Auch hier ist GaN sehr attraktiv.
Der Einsatz von SiC in Automobilanwendungen bringt mehrere Herausforderungen mit sich. SiC-Substrate sind nicht billig und machen fast 50 % der Kosten der Stückliste für die Herstellung des Geräts aus. SiC ist außerdem von Natur aus ein Herstellungsprozess mit geringer Ausbeute, und der Wafer ist transparent, was kostspielige Messgeräte zur Überwachung des Prozesses erfordert.
Die Herstellung von SiC-Geräten ist schwieriger als die Herstellung von Si-basierten Halbleitern, und die Härte von SiC erschwert Ätz- und Gateoxidprozesse.
Im Fahrzeugbau benötigen Automobilhersteller große Mengen an gelieferten Produkten, um den Produktionsfluss aufrechtzuerhalten. Hier ist das Angebot an SiC begrenzt, was ein weiteres Hindernis für die Einführung von SiC in der Automobilindustrie darstellt.
Im Vergleich zu SiC wird GaN auf einem kostengünstigeren Si-Substrat gezüchtet. Für Hochstromanwendungen benötigen sie jedoch im Vergleich zu SiC eine größere Chipgröße.
Komponentenzuverlässigkeitsparanoia
Die Verwendung von Si-Substraten kann manchmal zu Problemen wie Gitterfehlanpassungen und -versetzungen führen, die wiederum zu Leckströmen am Gate und einer geringeren Zuverlässigkeit führen, und Automobilhersteller haben Angst vor der Komponentenzuverlässigkeit, da Betriebsausfälle die Garantierückgaben für Autos in die Höhe treiben und dem Automobilhersteller anschließend einen Teil der Leistung kosten Gewinne.
Zugegebenermaßen könnten diese Probleme mit GaN leicht durch stärkere Epitaxieschichten gelöst werden, aber das würde wiederum die Gesamtkosten der Komponenten erhöhen, und einmal mehr sind die Automobilhersteller übermäßig kostenbewusst, wenn es um den Preis der gelieferten Komponenten geht .
Bei der Entwicklung geeigneter Halbleiterbauelemente für den Automobileinsatz müssen immer Temperaturaspekte berücksichtigt werden, und da GaN auf einem Si-Substrat gewachsen wird, hängt seine Wärmeleitfähigkeit von der Leistung des Si-Substrats ab.
GaN hat zwar Einschränkungen für Hochleistungsanwendungen im Automobilbereich (über 10 kW) und wird für Geräte unter 600 V bevorzugt, hat aber das Potenzial, mit mehrstufiger Leistungstopologie in den Wechselrichtermarkt vorzudringen. Da Automobilhersteller immer mehr Strom für Funktionen wie Infotainment, schnelle Kommunikation, Kameras und Radar benötigen, besteht ein zunehmendes Interesse an 48-V-Systemen. In dieser Hinsicht ist GaN geeignet, da es kostengünstig ist.
Zukunftsaussichten in der Leistungselektronik
Wie bereits erwähnt, ermöglicht GaN Kosteneinsparungen auf Systemebene. Die Geräte- und Systemkosten hängen von den Substratkosten, der Waferherstellung, der Verpackung und der Gesamtausbeute im Herstellungsprozess ab.
SiC und GaN erfüllen unterschiedliche Spannungs-, Leistungs- und Anwendungsanforderungen. SiC bewältigt Spannungspegel bis zu 1,200 V bei hoher Strombelastbarkeit. Dadurch eignen sie sich für Anwendungen in Kfz-Wechselrichtern und Solarparks.
Alternativ ist GaN aufgrund seiner Schaltfähigkeiten bei hohen Frequenzen und seiner Kostenvorteile für viele Entwickler zum Gerät der Wahl für <10-kW-Anwendungen geworden.
Das sind also nur einige der betrieblichen Unterschiede zwischen den beiden Bandgap-Technologien, und die Hauptfrage, wer der Gesamtsieger sein wird, lässt sich zum jetzigen Zeitpunkt nicht beantworten, vor allem weil sich beide hinsichtlich der Leistung ständig weiterentwickeln.
Mit Blick auf die Zukunft hat die Leistungselektronikindustrie ein Auge auf neue Materialien wie Galliumoxid (Ga2O3). Obwohl Ga2O3 ein vielversprechendes Potenzial birgt, wird seine Einführung aufgrund des konservativen Charakters der Branche schrittweise erfolgen. Die breite Akzeptanz und Anwendung dieser neuartigen Materialien in Hochleistungsszenarien wird von ihrer Fähigkeit abhängen, eine nachgewiesene Erfolgsbilanz vorzuweisen.
GaN bietet die Fähigkeit, sehr schnelle Schaltvorgänge zu ermöglichen und gleichzeitig bei hohen Temperaturen zu arbeiten. Darüber hinaus bietet es Größenvorteile, einen geringen CO2-Fußabdruck und ist im Hinblick auf die Herstellungskosten sehr günstig.
Aus SiC-Sicht sieht es für die Hersteller dieser Geräte gut aus, wenn es um den Markt für Elektrofahrzeuge geht.
Nach Angaben des Beratungsunternehmens McKinsey werden 800-V-Batterie-Elektrofahrzeuge (BEVs) aufgrund ihrer hohen Effizienz am ehesten SiC-basierte Wechselrichter verwenden, und es wird erwartet, dass BEVs bis zum Ende des Jahrzehnts 75 % der Elektrofahrzeuge ausmachen werden Markt.
Abgesehen von den technischen Unterschieden zwischen den beiden Technologien: Was sagen die Analysten und Experten dazu, wie gut sie sich für den Rest dieses Jahrzehnts verkaufen werden?
Nimmt man einen Durchschnitt aus den Ansichten von Branchenexperten, so scheint es, dass sich SiC gut entwickeln wird und der Umsatz bis 29 eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate (CAGR) von 12 % erreichen und einen globalen Wert von 2030 Milliarden Euro erreichen wird.
Ebenso rosig sieht die Finanzlage für den Verkauf von GaN-Geräten aus. Obwohl die CAGR-Zahlen unter Marktanalysten tendenziell größere Schwankungen aufweisen, liegt der Gesamtdurchschnittswert bei 26 % und der Umsatz dürfte bis 10 etwa 2030 Milliarden Euro erreichen.
Im Hinblick auf die technische Kompetenz, die Vielseitigkeit der Anwendung und die Fähigkeit, den Halbleiterunternehmen viel Geld zu verschaffen, gibt es also nicht viel, was GaN und Sic voneinander trennt, und wenn es am Ende einen Gewinner des Bandgap-Rennens geben soll, wird es das vielleicht auch geben hängt davon ab, wer von ihnen die bahnbrechendste Technologie vorführen kann.