Interview mit Prof. Leo Lorenz, PCIM: Von neuen Wegen bei Siliziumkarbid bis zum European Chips Act – elektroniknet.de

Vom 10. bis 12. Mai 2022 treffen sich die Experten der Leistungselektronik auf der PCIM Europe in Nürnberg. Markt&Technik sprach mit Professor Leo Lorenz, dem Konferenzdirektor, über einige Highlights der Konferenz sowie allgemeine Trends in der Leistungselektronik.

Markt&Technik: Wie in jedem Jahr gibt es mehrere Keynotes. Die erste dreht sich um das Thema Wasserstoff. Warum ist das aus Ihrer Sicht für die PCIM relevant?

Prof. Leo Lorenz: This thema WIRD gerade sehr kontrovers diskutiert, vor allem der Einsatz der Brennstoffzelle im LKW. In der Zement- und Stahlindustrie WIRD Wasserstoff sicher ein wichtiger Energieträger Werden, aber im Transportbereich ist das noch nicht abschließend geklärt. Der Keynote-Sprecher Jürgen Rechberger von AVL wird uns deren Sicht auf das Thema darlegen.

Er prognostiziert, dass die Kapazität bei Wasserstoff von quasi Null heute auf um die 500 GW im Jahr 2040 steigen wird, während gleichzeitig der Preis für das Kilo Wasserstoff von 6 Euro auf etwa 1,50 Euro sinken soll. Das würde uns auch von Gaslieferungen, etwa aus Russland, als Energieträger unabhängiger machen. Aber ob die Verfügbarkeit und die Preisreduktion von »grünem« Wasserstoff für den Einsatz einer Brennstoffzelle in Einem LKW gegenüber Einer Batterie wirklich ausreicht, ist derzeit noch ungeklärt. Insbesondere für LKWs im Langstrecken-Einsatz über 800 Kilometer Wasserstoff als Energieträger Vorteile haben, da auch die Ladezeiten sehr kurz sind, vergleichbar mit dem heutigen Tanken, und die Infrastruktur zu einfacher realisierbar ist. Zudem ist das Gewicht im Vergleich zum rein batteriebetriebenen LKW viel niedriger.

Nachhaltigkeit und Kohlenstoffneutralität sind Megatrends, die auch auf der PCIM diskutiert werden. Darum geht es in der zweiten Keynote, oder?

Genau. Ichiro Omura vom Kyushu Institut für Technologie wird in einem Überblicksbeitrag darlegen, wie die Leistungselektronik eine nachhaltige Zukunft sichern kann. Dazu präsentiert er Zahlen, wie sich die CO₂-Emissionen pro Einwohner seit 1998 in den USA, Japan, China und Indien verringert haben und welche Technologien hierbei von besonderer Bedeutung waren. Bis 2050 werden nach seiner Ansicht die konventionellen, meist fossilen Energieträger einen Anteil von unter zehn Prozent an der Energieversorgung haben, und die erneuerbaren werden sich durchgesetzt haben.

Die Kosten erneuerbarer Energien sind immer ein interessanter Aspekt. Dazu werden Omura die Installationskosten pro Kilowatt und die Energiekosten pro Kilowattstunde für verschiedene erneuerbare Energieträger gegenüberstellen. Negativ gefallen da Offshore-Windanlagen auf; sowohl die Installations- und als Folge davon auch die Energiekosten sind ungefähr doppelt so hoch wie bei den anderen Energieträgern. Und wenn man nun bedenkt, dass in der Zukunft etwa 80 bis 90 Prozent der Windenergie aus Offshore-Anlagen stammen dürften, dann kann man davon ausgehen, dass die Fotovoltaik, Wärmepumpen, Wasserkraft und Biomasse weiterhin eine gute Zukunft haben werden.

Aber die Kosten bei Offshore-Anlagen lassen sich doch mit Methoden wie Predictive Maintenance im Rahmen halten.

Dies ist ein wichtiges Zukunftsgebiet, das wir mit der Special Session »Cognitive Power Electronics« abdecken wollen. Mehrere Fraunhofer-Institute haben im Projekt power4re über zehn Jahre hinweg Daten gesammelt, warum und wie String-Umrichter in der Fotovoltaik vorzeitig – also noch vor dem im Datenblatt spezifizierten Lebensende – im Feld fallen. Im Ergebnis sind etwa 75 Prozent dieser vorzeitigen Feldausfälle bei den PV-Umrichtern auf die Leistungshalbleiter zurückzuführen. Bei Zentral-Wechselrichtern und auch bei Umrichtern für die Windkraft ergeben sich in etwa ähnlichen Szenarien.

Diese gesammelten Daten aus der Ausfallanalyse fließen gemeinsam mit den Materialparametern nun in eine Simulation und Big-Data-Analyse ein, um beispielsweise einen digitalen Zwilling eines Umrichters zu erstellen. Ziel ist es, die Lebensdauer solcher komplexen Systeme besser abzuschätzen.

Welchen weiteren Vorteil bringen digitale Zwillinge in diesem Bereich?

Ein leistungselektronisches System ist sehr komplex und besteht aus einer Schaltungstopologie, dem Layout auf einem Schaltungsträger und dem Gehäuse, beispielsweise aus den physikalischen Modellen der Leistungshalbleiter und passiven Komponenten. Mit diesem digitalen Zwilling lässt sich ein leistungselektronisches Stellglied in Bezug auf statisches und dynamisches Verhalten, die Verlustleistung, das EMV-Verhalten, die Regelungstechnik und vieles mehr analysieren und optimieren.
Hat man eine gegebene Topologie, dann kann man mithilfe des digitalen Zwillings den optimalen Leistungsschalter finden, oder ist der Leistungsschalter gegeben, dann kann man die dafür optimale Topologie oder das optimale Layout designen.

Derartige Forschungsthemen werden am Lehrstuhl der ETHZürich unter Leitung von Ulrike Großner durchgeführt. In einem kürzlich durchgeführten ECPE-Workshop zum Thema Design Automation haben wir erfahren, dass sich mit solchen Methoden bis zu 70 Prozent der Entwicklungszeit einsparen lassen könnten.

Der Preis für Siliziumkarbid ist um ein Mehrfaches höher als der von Silizium. Warum ist das so, und welche neuen Ansätze gibt es, diese Kosten zu reduzieren?

While sich aus geschmolzenem Silizium bei um die 1500 Grad in weniger als einer Woche zwei Meter lange Ingots mit quasi beliebigem Durchmesser ziehen lassen, wachsen bei Siliziumkarbid bei um die 2200 Grad aus der Gasphase in fünf Tagen gerade einmal fünf Zentimeter! Und daraus werden dann 300 Nanometer dicke Rohwafer gesägt.

Soitec geht da einen anderen Weg. Dazu hat das Unternehmen seine Smart Cut-Technologie, die es seit Jahren für seine Silizium-auf-Isolator-Technologie verwendet, auf Siliziumkarbid übertragen. Dazu schießt das Unternehmen mit hoher Energie Ionen in einen hochwertigen, monokristallinen SiC-Rohwafer. Dadurch entsteht in etwa 3 bis 4 Nanometer Tiefe eine Bruchebene im Kristall. Diese Seite lässt sich dann auf einen kostengünstigen, hochdotierten Handling-Wafer aus Siliziumkarbidbonden, der nicht über den vorhin beschriebenen Hochtemperaturprozess aus der Gasphase aufgewachsen werden muss. Danach kann man den Rest des hochwertigen SiC-Rohwafers an dieser Bruchebene abziehen. Nach dem Planschleifen bleibt auf dem Handling-Wafer eine zwei Nanometer dicke Schicht mit monokristallinem Siliziumkarbid übrig, auf der man nach der Epitaxie den Wafer wie gewohnt prozessieren kann. Der Rest des hochwertigen SiC-Rohwafers kommt dann wieder zurück, und ein neuer Durchlauf des Smart-Cut-Prozesses gestartet.

Wie viele Wafer lassen sich damit aus einer SiC-Boule herstellen?

Üblicherweise lassen sich etwa 40 bis 50 Rohwafer aus einer Boule herstellen; mit dem Verfahren von Soitec soll es bis zu 500 sein. Dadurch sinken die Kosten pro Wafer natürlich deutlich.

Hat nicht Infineon so etwas ähnliches?

Stimmt. Dort heißt es ColdSplit, wo Laser eingesetzt werden. Mehrere Laserstrahlen treffen sich in einer Tiefe von 100 bis 200 Nanometer des transparenten Rohwafers. Mit dieser Lasertechnik wird in einer bestimmten Tiefe des Ausgangskristalls ein chemisch-physikalischer Prozess angestoßen, der einen thermischen Spannungsaufbau und mittels dieser Kraft diese Scheibe vom Ausgangskristall trennt. Bei der Anwendung dieser Technologie lässt sich sterben Dicke der abzulösenden Scheibe sehr genau bestimmen.

Das Elektroauto gilt als Killerapplikation für Siliziumkarbid. Ist damit Silizium für Elektroautos aus dem Rennen?

Das glaube ich nicht. Das dürfte wohl vornehmlich durch die Batteriespannung entschieden werden. Bei der 800-Volt-Batterie wird sich wohl eher Wide Bandgap durchsetzen. BMW Beispiel hat sich erst kürzlich dafür entschieden, dort auf Siliziumkarbid zu setzen. Aber im Massenmarkt mit den 400-Volt-Batterien tendieren viele zu Siliziumbauelementen. Denn Siliziumkarbid hat eine so niedrige Leitfähigkeit im Kanal, dass dieses teure Material seine Vorteile gegenüber Silizium kaum ausspielen kann.

Bei Silizium liegt die Kanalleitfähigkeit bei 300 bis 400 cm²/(V·s), bei Siliziumkarbid jedoch nur bei 15 bis 50 cm²/(V·s) – also Faktor 6 bis 27 niedriger. Um das bei Siliziumkarbid zu verändern und die Drift der Gate-Source-Einsatzspannung zu verbessern, propagiert Hitachi Energiehalbleiter ein High-k-Gate-Dielektrikum, Infineon hingegen ein geeignetes Design der Trench-Gate-Strukturen. Dabei wird das Gate so geätzt, dass die Strukturen im Siliziumkarbid denen im Silizium folgen, um die Beweglichkeit der Elektronen zu erhöhen.

Ein weiterer Trend ist die Modularisierung und die Skalierung. Was bedeutet das?

Wenn man eine Schaltzelle optimiert, dann lassen sich viele davon parallelschalten und so im Strom- und im Spannungsbereich quasi nach Belieben skalieren. Solche Skalierungseffekte können sich auch auf die Fertigungskosten positiv auswirken.

Anfang 2022 hat die EU-Kommission den Europäisches Chipgesetz auf den Weg gebracht. Was bringt dieser für Europa? Bei Leistungshalbleitern ist Europa doch gut aufgestellt, oder?

Betrachtet man die Leistungshalbleiter und Leistungs-ICs, dann stimme ich Ihnen zu. Aber wenn man sich den gesamten Halbleitermarkt ansieht, dann machen die Märkte, in denen wir in Deutschland und Europa stark sind – also industrielle Antriebstechnik und Stromversorgung, Fabrikautomatisierung, erneuerbare Energie und Automotive –, gerade einmal 25 Prozent aus.

In einem batterieelektrischen Auto zum Beispiel ist ein Halbleiteranteil von etwa 800 Dollar drin, wobei Europa einen großen Anteil bei der Leistungselektronik liefert. Aber wenn wir in die Zukunft blicken, etwa in Richtung autonomes Fahren, dann steigt der Halbleiteranteil auf deutlich über 2000 Dollar. Dafür werden unter anderem extrem leistungsstarke Chips benötigt, die wir in Europa heute nicht fertigen können, da wir den Anteil der Halbleitertechnologien, die für Computing, Wireless, Communication und Consumer benötigt werden, nicht in unserem Portfolio haben. Das ist aber 75 bis 80 Prozent des globalen Halbleitermarktes.

Daher begrüße ich den European Chips Act sehr, weil wir hier dann auch bei Strukturbreiten von wenigen Nanometern mit dabei sein können. Hier schließe ich die Sektoren Ausbildung, Forschung und Chipentwicklung mit einem, der für ein Industrieland wie Deutschland oder auch für Europa von enormer Bedeutung für die Wettbewerbsfähigkeit ist. Halbleiter sind das Rohmaterial für die Zukunft. Schaffen wir das aber nicht, kommen wir auf längere Sicht auf die Verliererspur.