Fraunhofer IISB: Das Stromnetz lernt Energiesparen

12.03.13  16:45 | Artikel: 955269 | News-Artikel (e)

Fraunhofer IISB: Das Stromnetz lernt EnergiesparenProjekt SiC-WinS erforscht Technologien zur Herstellung von SiC-Hochvoltbauelementen

Bei Solaranlagen und Serveranwendungen sind energiesparende Wechselrichter bzw. Netzteile mit Halbleiterbauelementen aus Siliziumkarbid (SiC) schon Stand der Technik. Auch Windkraftanlagen und das intelligente Stromnetz der Zukunft könnten durch Hochvoltbauelemente aus SiC deutlich energieeffizienter arbeiten. Im Projekt «SiC-WinS - Technologische Grundlagen zur Herstellung von SiC-Spannungswandlern für intelligente Stromnetze» forschen Partner aus Wissenschaft und Industrie in Erlangen daran, die Herstellungskosten solcher Bauelemente deutlich zu senken und ihre Zuverlässigkeit bis hin zur «Null-Fehler-Toleranz» zu verbessern. SiC-WinS wird von der Bayerischen Forschungsstiftung (BFS) gefördert und hat eine Laufzeit von drei Jahren.

Bei der Einbindung regenerativer Energiequellen in das Stromnetz spielen leistungselektronische Systeme in Form von Wechselrichtern eine immer größere Rolle. Um die regenerativ erzeugte Energie möglichst verlustarm einzuspeisen, werden speziell im Mittelspannungsbereich (10 kV bis 13 kV) neue Umrichter benötigt. Aufgrund der besseren physikalischen Eigenschaften könnten in diesen Systemen zukünftig Hochvoltbauelemente aus dem Halbleitermaterial SiC die etablierten Siliziumbauelemente ersetzen. Durch SiC-Leistungsbauelemente lassen sich z.B. Komponenten für die Kühlung einsparen und Schaltungen effizienter, kostengünstiger und kompakter aufbauen. Der Einsatz im Stromnetz stellt allerdings extreme Anforderungen an die Zuverlässigkeit und an die Leistungsfähigkeit der verwendeten Bauelemente. Das gilt auch für die relativ neuen Hochvoltbauelemente auf Basis von Siliziumkarbid. Im Projekt "SiC-WinS - Technologische Grundlagen zur Herstellung von SiC-Spannungswandlern für intelligente Stromnetze" werden deshalb die Herstellungsprozesse erforscht, um auch bei SiC-Bauelementen für Sperrspannungsklassen bis maximal 13 kV höchste Zuverlässigkeit im Sinne einer "Null-Fehler-Toleranz" zu gewährleisten. Beispielsweise zur Herstellung so genannter PIN-Dioden auf SiC-Basis - wichtig für die Konstruktion hoch effizienter Schaltwandler - sind aber noch einige grundsätzliche technologische Prozesse sowie Prüf- und Analyseverfahren zu entwickeln. Die in Erlangen ansässigen Projektpartner Fraunhofer IISB, Intego GmbH, Infineon Technologies AG und der Lehrstuhl für Angewandte Physik der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) erforschen deshalb die Herstellung dicker SiC-Epitaxieschichten, die für diese SiC-Hochvoltbauelemente benötigt werden. Ziel des Projekts ist es, die Produktionskosten für diese Bauelemente erheblich zu senken und gleichzeitig die elektrischen und strukturellen Eigenschaften der Schichten zu verbessern. SiC-WinS wird von der Bayerischen Forschungsstiftung (BFS) gefördert und hat eine Laufzeit von drei Jahren.


FuE-Reaktor am Fraunhofer IISB zur Herstellung von SiC-Epitaxieschichten


Außerdem soll ein schnelles, zerstörungsfreies Prüfverfahren entwickelt werden, mit dem sich Materialfehler auf SiC-Wafern zuverlässig erkennen lassen. Diese Materialfehler können bereits im SiC-Halbleitermaterial vorhanden sein oder während der Bauelementherstellung entstehen und die Langzeitstabilität der Leistungsbauelemente beeinträchtigen. Kritisch sind vor allem spezielle Versetzungstypen im SiC-Kristallgefüge. Bauelemente, die derartige Defekte enthalten, müssen sicher erkannt und aussortiert werden. Die relevanten Kristallfehler zeigen bei der Beleuchtung mit Laserlicht eine charakteristische Signatur. Bereits während der Herstellung der Bauelemente ließen sich mit diesem Verfahren die unprozessierten oder teilprozessierten SiC-Scheiben untersuchen und selektieren. Das SiC-WinS-Team entwickelt und erprobt dafür einen neuartigen "Defektlumineszenz-Scanner", der die relevanten Kristallfehler prozessbegleitend und zerstörungsfrei schon auf Wafer-Ebene erkennt.

"Die Weiterentwicklung der Epitaxie und der prozessbegleitenden Qualitätssicherung, wie sie hier im Rahmen des SiC-WinS-Projektes in den nächsten drei Jahren erfolgt, bedarf einer tiefgehenden Kompetenz und Erfahrung auf breit gefächerten Teildisziplinen, welche nur durch eine Kooperation zwischen Wissenschaft und Wirtschaft abgedeckt werden kann", sagt Dr. Jochen Friedrich, Leiter der Abteilung Kristallzüchtung am Fraunhofer IISB.

Zur Bedeutung des SiC-WinS-Foschungsvorhabens meint Friedrich: "Auf Grund der langjährigen, konsequenten bayerischen und nationalen Förderpolitik nehmen die in Erlangen ansässigen Projektpartner eine internationale Spitzenposition in den Bereichen der SiC-Forschung und Entwicklung ein. Das SiC-WinS-Forschungsvorhaben trägt maßgeblich zu einer Festigung dieser Spitzenposition bei und wird die Kommerzialisierung von SiC voranbringen."




(Quelle: Fraunhofer IISB)


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