In vielen leistungselektronischen Niedervolt-Anwendungen findet derzeit ein Übergang zu Galliumnitrid-basierten Bauelementen statt, die die Energieeffizienz und auch Leistungsdichte im System steigern können. Im Projekt Green ICT @ FMD beschäftigen sich Wissenschaftler am Fraunhofer IAF damit, wie Galliumnitrid für nachhaltigere und ressourcenschonendere ICT-Energieversorgungssysteme eingesetzt werden kann.
Ein Beitrag von Dr. Michael Basler
Abteilung Mikroelektronik | Geschäftsfeld Leistungselektronik
Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF
Boom von ICT-Systemen
181 Zettabyte (1021) oder 181.000.000.000.000 Terabyte – ist die weltweit prognostizierte digitale Datenmenge im Jahr 2025. Eine unvorstellbar große Datenmenge, die Jahr für Jahr anwächst durch das Aufkommen von 5G, Wachstum künstlicher Intelligenz (KI) und maschinellem Lernen (ML), und natürlich von Informations- und Kommunikations (ICT)-Systemen verarbeitet werden muss.
Warum Galliumnitrid für ICT-Energieversorgungssysteme
Das bisherige Standard-Halbleitermaterial für Leistungsbauelemente in der Niedervolt-Energieversorgung von ICT-Systemen ist Silizium, was zunehmend durch Galliumnitrid (GaN) ersetzt wird. GaN ist ein Nebenprodukt der Aluminiumproduktion und wird in Anlagen der etablierten Siliziumtechnologie auf Wafern verarbeitet, jedoch mit weniger Prozessschritten und damit verbunden reduziertem Energieverbrauch. Gleichzeitig lassen sich GaN-Bauelemente auf geringerer Fläche im Vergleich zu Si realisieren, was zu einer höheren Ausbeute an Chips bei gleicher Wafergröße führt. Die schnelleren Schaltgeschwindigkeit und bessere Performance der GaN-Bauelemente ermöglicht höhere Leistungsdichten mit höheren Effizienzen im Vergleich zu Silizium-basierte Designs. Ein weiterer Vorteil der GaN Technologie ist die laterale Struktur, die die zusätzliche Integration weiterer Schaltungs-Komponenten und -Funktionen auf einem Chip zum Leistungstransistor erlaubt, bezeichnet als GaN Power IC. Abbildung 1 zeit die schematische Gegenüberstellung und Entwicklung eines Si-basierten DC-DC Wandler Designs zur Energieversorgung von ICT-Systemen hin zu einer hochintegrierten GaN-Power IC Version.
GaN Power ICs für nachhaltigere Zukunft
Forschende des Fraunhofer IAFs beschäftigen sich bereits über 10 Jahre mit der GaN Technologie und der monolithischen Integration. Diese Form der höheren Integration bietet neben den System-Vorteilen der höheren Kompaktheit, geringeren Komponentenzahl und geringeren Kosten, die Reduzierung der relativen Klimaauswirkungen und des CO2-Fußabdruckes. In dem Projekt Green ICT @ FMD wird der Einsatz von GaN Power ICs in DC/DC-Wandlern untersucht. Zusätzlich zu der Demonstration eines hochintegrierten GaN Power ICs (Abbildung 2) wird der Einfluss auf die Nachhaltigkeit und den Ressourceneinsatz betrachtet und bewertet. Das hochintegrierte GaN IC beinhaltet zahlreiche Funktionen des DC/DC Wandlers On-Chip.
Aus der Funktionsintegration in Kombination dem Halbleitermaterial Galliumnitrid erhofft man sich nicht nur effiziente und kostengünstige, sondern auch nachhaltigere ICT-Energieversorgungssysteme zu realisieren.
