Forschung
Motivation
Bereits heute wird etwa 40% der weltweit verbrauchten Energie in Form von elektrischem Strom bereitgestellt. Es wird erwartet, dass dieser Anteil bis 2040 auf etwa 60% steigt. In absoluten Zahlen besagen Vorhersagen, dass der Bedarf an elektrischer Energie bis 2030 auf fast 9 PWh ansteigt1.
Diese gewaltigen Energiemengen müssen nicht nur ressourcen- und umweltschonend erzeugt, sondern auch effizient verteilt und genutzt werden. Dafür werden leistungselektronische Bauelemente, Schaltungen und Systeme benötigt, um je nach Anwendung das passende Spannungs- und Frequenzprofil des elektrischen Stroms zu erzeugen. Die Verlustleistung und die Produktionskosten dieser Komponenten gilt es konsequent zu minimieren.
Einen Ansatz zum Minimieren dieser Verluste bieten Bauelemente aus dem Material Galliumnitrid. Jedoch ist es notwendig für die weitere Optimierung der Effizienz von Leistungstransistoren neue Materialien zu entwickeln. Daher befasst sich die Gips-Schüle-Professur für Leistungselektronik in einem seiner Forschungsschwerpunkte mit der Materialentwicklung für Leistungselektronische Bauelemente.
Galliumnitrid
Die Betrachtung der grundlegenden physikalischen Eigenschaften gibt Hinweise darauf, dass GaN-basierte Transistoren im Vergleich zu Silizium-Transistoren im Anwendungsbereich 100 V bis 1000 V eine Verbesserung des spezifischen Einschaltwiderstands um den Faktor 10 erreichen können.
Zusätzlich zur Verbesserung des spezifischen Einschaltwiderstands bieten GaN-basierte Leistungsbauelemente auch eine signifikante Steigerung der Schaltfrequenz. Weiterführende Simulationen geben Hinweise darauf, dass die nächste Generation von GaN/Si-basierten Transistoren eine Verbesserung von 33% in der Leistungseffizienz gegenüber Silizium-MOSFETs realisieren können, die nach dem neuesten Stand der Technik entwickelt werden.
Bereits jetzt ist Galliumnitrid das Material der Wahl für kompakte Spannungswandler mit hohem Ausgangsstrom wie zum Beispiel den Ladegeräten von Smartphones.
Der High-Electron-Mobility-Transistor
Die Galliumnitrid (GaN) -Technologie basiert auf einem Transistorprinzip namens High-Electron-Mobility-Transistor kurz HEMT. Bei diesen Transistoren werden Heterostrukturen aus Galliumnitrid und Aluminium-Galliumnitrid (AlGaN) aufeinander gewachsen, um Polarisationsgradienten zu erzeugen. Auf Grund dieser Polarisationsgradienten, die vor allem durch die unterschiedlichen Gitterparameter der piezoelektrischen Materialien hervorgerufen werden, wird ein elektrisches Feld induziert, das eine Verkippung der Leitungsbandkante über die Tiefe hervorruft.
Weiterhin haben die verwendeten Materialien unterschiedliche Bandlücken. Dadurch ergeben sich Sprünge in der Energie des Leitungsbandes an den Grenzflächen der Materialien. Dies nennt man Banddiskontinuität.
Diese beiden Effekte sorgen dafür, dass an der Grenzfläche von AlGaN zu GaN im Leitungsband ein dreieckiger Quantentopf entsteht, der unterhalb des Ferminiveaus liegt. Die Folge ist die Bildung eines zweidimensionalen Elektronengases (2DEG) an der Grenzfläche der beiden Materialien.
Die Ladungsträger bewegen sich hauptsächlich in einer Galliumnitrid-Pufferschicht. Galliumnitrid bietet durch seine Kristallstruktur die Möglichkeit, dass sich Elektronen im Leitungsband besonders schnell bewegen können, was erklärt, warum die Schaltfrequenz mithilfe dieses Materials deutlich gesteigert werden kann.
Entwicklung neuartiger Barrierematerialien
An der Gips-Schüle-Professur für Leistungselektronik entwickeln wir neuartige Halbleitermaterialien, die sich als Barrierematerial für HEMTS eignen. Aussichtsreichester Kandidat ist momentan Aluminium-Scandium-Nitrid (AlScN).
Mit diesem Material ist es möglich, auch ohne unterschiedliche Gitterkonstanten und somit ohne Verwendung des Piezoeffektes, Transistorstrukturen zu wachsen. Diese weisen aufgrund der entstehenden Polarisationsgradienten sogar mehr Elektronen im 2DEG aufweisen.
Dadurch kann der Widerstand des Transistorkanals weiter gesenkt und ohmsche Verluste können weiter minimiert werden. Zudem hat AlScN bei der verwendeten Komposition eine größere Bandlücke als die üblichen AlGaN-Barrieren, wodurch auch die Eignung für hohe Spannungen verbessert wird.
Simulationen haben gezeigt, dass es weitere vielversprechende Materialien gibt, die in der Leistungselektronik Anwendung finden könnten – darunter Aluminium-Yttrium-Nitrid (AlYN), oder Aluminium-Hafnium-Nitrid (AlHfN). Ein Forschungsberich des Lehrstuhls ist es daher die Systematik des Einbaus von verschiedenen Nebengruppenelementen in das Aluminiumnitrid-Gitter zu verstehen, um neue mögliche ternäre Materialien zu entdecken, zu simulieren und zu entwickeln, die zukünftig in leistungselektronischen Bauteiluen Verwendung finden könnten.
Motivation
In modernen Smartphones ist die Nutzung eines Internetzugangs essenziell für die meisten Features. Der Ausbau des 5G-Netzes wird weiter vorangetrieben, um möglichst überall einen schnellen Internetzugang zu gewährleisten. Dennoch gibt es Orte, an denen auf Frequenzbänder mit niedrigeren Frequenzen und geringeren Datenraten zurückgegriffen werden muss. Das RF-Frontend eines Smartphones ist für die gesamte Verarbeitung von Funksignalen zuständig und muss Daten, die über eine Vielzahl von unterschiedlichen Trägerfrequenzen kommen, verarbeiten können.
Hierbei kommen Verstärker zum Einsatz, um Signale so verstärken zu können, dass ein Auslesen der Daten möglich wird. Diese basieren momentan auf Silizium und könnten möglicherweise zukünftig durch die effizientere Galliumnitrid (GaN) -Technologie ersetzt werden. Ebenso wichtig sind jedoch die verbauten piezoakustischen Filterbauelemente auf der Basis von Aluminiumnitrid (AlN). Um die Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie und zurück möglichst effizient zu gestalten, muss der so genannte Kopplungsfaktor, welcher direkt proportional zum Quadrat des piezoelektrischen Koeffizienten d33 ist, möglichst hoch sein. Daher müssen fortwährend neue Materialien entwickelt werden, um diese Filterbauelemente einerseits energieeffizienter zu gestalten und andererseits zu immer höheren Frequenzen und damit Datenraten kommen zu können.
Filterbauelemente
Ein Frequenzfilter in einem Smartphone besteht aus mehreren einzelnen Resonatoren. Diese basieren auf dünnen Schichten aus piezoelektrischen Materialien und können so eingestellt werden, dass sie eine bestimmte Resonanzfrequenz haben. Hierbei spielt die Wahl des Materials eine besondere Rolle. Bis zu Frequenzen im 4G (LTE)-Bereich war das typischerweise verwendete Material Aluminiumnitrid (AlN). Jedoch wurden für 5G-Freequenzen bereits Bauelemente mit Schichten aus Aluminiumscandiumnitrid (AlScN) verwendet, um den d33-Wert zu erhöhen.
Durch die Verbindung mehrerer solcher Filter entsteht ein Frequenzband. Dieses ist ein Bereich von Frequenzen, die am Filter durchgelassen werden. Dadurch können Signale unterschiedlichen Frequenzbändern zugeordnet und anschließend im RF-Frontend wieder von der Trägerfrequenz isoliert und ausgewertet werden.
Als Resonatoren werden im Allgemeinen zwei unterschiedliche Typen eingesetzt.
Oberflächen- und Volumenwellenbauelemente
Die Frequenzfilter in Smartphones basieren entweder auf Oberflächenwellenbauelementen genannt SAW (für Surface Acoustic Wave Device) oder Volumenwellenbauelementen genannt BAW (für Bulk Acoustic Wave Device).
Bei SAWs werden auf der Oberflächen Elektroden strukturiert, mit denen die Resonanzfrequenz des Bauelements eingestellt werden kann. Bei BAWs hingegen muss die Schichtdicke exakt der halben Wellenlänge der angestrebten Resonanzfrequenz entsprechen. Es gilt:
f = v/λ
mit f = Frequenz; v = Geschwindigkeit der Welle; λ = Wellenlänge
Somit gilt, dass wir für hohe Frequenzen möglichst hohe Ausbreitungsgeschwindigkeiten brauchen und die Wellenlänge möglichst klein werden muss. Je kleiner der Abstand der Elektroden bei SAWs und je dünner die Schichtdicke bei BAWs desto höher ist der technologische Aufwand und somit auch die Herstellungskosten. Je steifer ein Material ist, desto höher ist die Phasengeschwindigkeit von Wellen im Material. Typischerweise haben jedoch weichere Materialien einen stärkeren Piezoeffekt und damit einen Höheren d33-Wert. Somit muss ein meist ein Trade-off gefunden werden.
Neue Materialien für Hochfrequenzfilter
Durch den Einbau von Scandium (Sc) in das Wurtzitgitter (kurz WZ) von AlN wird der piezoelektrische Koeffizient d33 drastisch erhöht, bei einem Anteil von 40% Sc auf 400% des Wertes von AlN. Bei einem weiteren Erhöhen des Sc-Anteils findet jedoch ein Phasenübergang in die Steinsalz-Struktur (engl. Rocksalt, kurz RS) statt. Hierbei wird der Kristall zwar steifer (wodurch die Schallgeschwindigkeit steigt), verliert jedoch seine piezoelektrischen Eigenschaften komplett.
In der Zukunft ist es denkbar über Mehrschichtsysteme Resonatoren zu entwickeln, die sowohl von der hohen Schallgeschwindigkeit in RS-Schichten, als auch von den hohen d33-Werten in WZ-Schichten profitieren.
Zudem gibt es noch viele Übergangsmetalle bei denen eine Erhöhung des piezoelektrischen Koeffizienten vorausgesagt wird, wie Yttrium (Y), Ytterbium (Yb) und Lanthan (La). Daher werden an der Gips-Schüle-Professur für Leistungselektronik auch neue Materialen entwickelt, die möglicherweise einen besseren Trade-off zwischen Steifigkeit und piezoelektrischem Koeffizienten bieten.
Motivation
Ob durch Smartphones, vernetzte Geräte oder immer leistungsfähigere KI‑Anwendungen, die Menge der weltweit erzeugten und gespeicherten Daten wächst unaufhaltsam. Diese durch unsere Gesellschaft erzeugten Datenmengen bringen auch einen stetig steigenden Energiebedarf mit sich.
So benötigt eine ChatGPT‑Anfrage bereits rund das Zehnfache an Energie einer klassischen Websuche, wodurch der jährliche Bedarf von Rechenzentren in den kommenden Jahren deutlich steigen wird 2.
Damit die Digitalisierung auch in Zukunft nachhaltig gestaltet werden kann, braucht es neue Speichertechnologien, die Daten nicht nur schnell, sondern auch energieeffizient verarbeiten. Somit ist es notwendig, neue Konzepte für Speicher zu entwickeln, die das Potenzial haben dem steigenden Energiebedarf entgegenzuwirken
Ferroelektrische Speicher
Eine der spannendsten Innovationen sind sogenannte ferroelektrische Feldeffekttransistoren. Im Unterschied zu klassischen siliziumbasierten DRAMs speichern FeFETs Daten direkt über ferroelektrische Materialien im Transistorgate. Dabei sind die Vorteile, dass Informationen auch ohne Stromversorgung erhalten bleiben, der Energieverbrauch sehr gering ist, und der Aufbau höchste Integrationsdichten möglich macht.
Allerdings basierten bisherige FeFET‑Technologien meist auf klassischen Ferroelektrika mit Herausforderungen in Hinblick auf Zuverlässigkeit, Skalierbarkeit und die Integration in bestehende Halbleiterprozesse wie PZT. Trotz vieler Fortschritte ist der ganz große Durchbruch am Markt mit diesen traditionellen Materialien bislang ausgeblieben.
Ferroelektrischer Effekt in Nitriden
Genau hier bieten neuartige nitridische Halbleiter wie AlScN neue, bisher ungenutzte Möglichkeiten. AlScN kommt bereits heute als Filtermaterial in 5G‑Smartphones zum Einsatz und überzeugt durch seine Robustheit und exzellenten elektronischen Eigenschaften.
Im Hinblick auf Speichertechnologien ist der eigentliche entscheidende Fortschritt jedoch 2019 erzielt worden, als erstmals eindeutig ferroelektrische Eigenschaften in AlScN entdeckt wurden 3.
Aktuelle Forschung
Mit dieser Entdeckung wäre es möglich, die Vorteile klassischer Ferroelektrizität, wie nichtflüchtige Speicherung und niedrigen Energieverbrauch, direkt mit den Vorzügen moderner Halbleitertechnologien zu kombinieren. AlScN kann als ultradünne Schicht kostengünstig und CMOS‑kompatibel produziert werden, ist nicht toxisch und lässt sich hervorragend in bestehende Fertigungsprozesse integrieren.
Daher untersuchen wir an der Gips-Schüle-Professur für Leistungselektronik systematisch den Einbau von Nebengruppenelementen in das Wurtzitgitter von Gruppe-III-Nitriden (Aluminiumnitrid (AlN), Galliumnitrid (GaN) und Indiumnitrid (InN)). So soll das optimale Material für langlebige, energieeffiziente Speicher gefunden werden.
Motivation
Angesichts globaler Lieferketten-Risiken, geopolitischer Spannungen und der anstehenden Energiewende rückt der Zugang zu kritischen Rohstoffen wie Gallium, Indium, Scandium und Seltenen Erden immer stärker in den Fokus. Diese Metalle sind unersetzliche Bausteine für zentrale Zukunftstechnologien:
Gallium und Indium werden für Hightech-Halbleiter, Touchscreens, LEDs und moderne Solarzellen benötigt, während Scandium in Hochfrequenztechnologien und Hochleistungs-Leichtbaulegierungen, etwa in der Luftfahrt, zum Einsatz kommt. Seltene Erden sind für Permanentmagnete in Windkraftanlagen, Elektromotoren und zahlreichen digitalen Anwendungen unverzichtbar.
Politische Rahmenbedingungen
Mit dem CRITICAL RAW MATERIALS ACT nimmt sich die Europäische Union gezielte Maßnahmen zur Steigerung der Versorgungssicherheit vor. Eine zentrale Säule ist hierbei der Aufbau einer Kreislaufwirtschaft: Das Recycling von Gallium, Indium, Scandium und Seltenen Erden aus Altgeräten, Elektronikschrott oder Produktionsabfällen soll künftig einen immer größeren Anteil am Rohstoffbedarf decken.
Ohne wirkungsvolle Recycling-Konzepte drohen nicht nur wachsende Importabhängigkeiten, sondern auch steigende Umweltbelastungen durch Abbau und Entsorgung. So soll der Anteil des Bedarfs der EU dieser kritischen Materialien bis 2030 mindestens zu 15%, und bis 2050 mindestens zu 30% durch das Recycling von End-of-Life E-Waste erreicht werden.
Ansätze für Kreislaufwirtschaft
Am INATECH ist einer der Forschungsschwerpunkte Materialien und Produkte zu entwickeln, bei denen der gesamte Lebenszyklus betrachtet und bewertet wird. Zielstellung ist es, den Lebenszyklus von Bauelementen möglichst komplett zu schließen, sodass eine nachhaltige Verfügbarkeit gewährleistet wird. Dabei stehen nicht nur technische Lösungen im Fokus, sondern auch systemische Ansätze, die Wirtschaft, Gesellschaft und Ökologie integrieren, um echte Kreislaufwirtschaft zu ermöglichen.
Innerhalb dieses „Circular Engineering“ gibt es viele Teilaspekte, die in der Forschung adressiert werden müssen. Dies umfasst vor allem die sogenannten Re’s (Re-Use, Re-pair, Re-cycle, Re-design) – von der Vermeidung von Abfall durch intelligentes Design bis hin zur hochwertigen Rückgewinnung von Rohstoffen am Ende des Produktlebens.
Sublimation von Verbindungshalbleitern
Die Gips-Schüle-Professur für Leistungselektronik befasst sich in einem ihrer Forschungsschwerpunkte mit der Sublimation von Verbindungshalbleitern, um Konzepte für das Recycling von Halbleiterbauelementen zu entwickeln. Im Gegensatz zu alternativen Recyclingmethoden, wie z.B. dem Acid- oder Bioleaching, benötigt das Recyclen durch Sublimation keine giftigen bzw. umweltschädlichen Stoffe und erlaubt somit eine saubere und umweltfreundliche Rückgewinnung der kritischen Materialien.
So können die Metallverbindungen direkt von der Fest- in die Gasphase überführt und die einzelnen Metalle gezielt getrennt und abgeschieden werden.
Zusätzlich zur thermischen Dekomposition wird auch die Möglichkeit einer lichtinduzierten Dekomposition durch einen Excimer-Laser bzw. durch hochkonzentrierte Sonnenstrahlen getestet.
Solarsublimation
Die Sonne bietet als umweltfreundliche Energiequelle großes Potenzial für innovative Recyclingverfahren. An sonnenreichen Tagen erreicht die Strahlungsintensität 800 W pro m2. Durch Parabolspiegel lässt sich diese Energie bündeln und auf kleine Flächen konzentrieren, wodurch Temperaturen von über 1000 °C erzeugt werden können. Dieses Prinzip könnte das energieintensive Recycling von Halbleiterbauelementen voranbringen.
Bisher wurde durch Nutzen eines Ofens die Sublimation von Halbleitern bei niedrigem Druck und hoher Temperatur demonstriert. Das anschließende Abkühlen der Gase über einen Temperaturgradienten ermöglicht die Trennung der Materialien. Doch der hohe Energiebedarf schmälert die Ökobilanz. Ein solarthermischer Prozess ermöglicht eine CO2–neutrale Hochtemperaturanwendung und verbessert so die Nachhaltigkeit des Recyclings deutlich.
Im ersten Schritt muss hierzu ein Parabolspiegel entworfen werden. Hierbei müssen die geometrischen Parameter so gewählt werden, dass die im Fokus gebündelte Energie ausreicht, um die Halbleiterbauelemente zu sublimieren. Dabei spielen Spiegeldurchmesser und Krümmung eine entscheidende Rolle, da sie die Menge der eingefangenen Sonnenintensität sowie die Position und Größe des Fokus bestimmen. Da sich die Position der Sonne über den Tages- und Jahresverlauf ändert, variiert auch der Einfallswinkel der Strahlen auf den Spiegel. Gemäß dem Kosinusgesetz
verringert sich die effektive nutzbare Spiegeloberfläche bei schräg einfallendem Licht, was die Effizienz des Systems beeinträchtigen würde. Um diese Herausforderung zu lösen, kommt ein zweistufiges Spiegel-System zum Einsatz. Anstatt den Parabolspiegel mechanisch nachzuführen – was technisch aufwendig wäre und zu einer Verschiebung des Fokus führen würde – wird ein zusätzlicher, nachgeführter Rechteckspiegel (Heliostat) genutzt. Dieser lenkt das Sonnenlicht auf den feststehenden Parabolspiegel um. Dadurch wird nicht nur die effektive Sammelfläche vergrößert, sondern auch sichergestellt, dass die Position der Probe konstant bleibt. Nach Aufbau des Messystems wird die Funktionsfähigkeit zunächst mit einfachen Metallnitridschichten demonstriert, bevor das Verfahren auf komplexere Hableiterbauelemente ausgeweitet wird.
- Nicola Jones, The Information Factories, Nature Vol. 561 163-166; 2018; doi: https://doi.org/10.1038/d41586-018-06610-y ↩︎
- Josh You (2025), „How much energy does ChatGPT use?“. Published online at epoch.ai. Retrieved from: ‚https://epoch.ai/gradient-updates/how-much-energy-does-chatgpt-use‚ [online resource
]↩︎ - Simon Fichtner, Niklas Wolff, Fabian Lofink, Lorenz Kienle, Bernhard Wagner; AlScN: A III-V semiconductor based ferroelectric. J. Appl. Phys. 21 March 2019; 125 (11): 114103. https://doi.org/10.1063/1.5084945 ↩︎