UltimateGaN: Research for GaN technologies, devices and applications to address the challenges of the future GaN roadmap

Die drängende Energiewende, die Reduktion von CO2-Emissionen und der steigende Energiebedarf sind fordernde Themen unserer Zeit. Die Effizienz ist dabei so wichtig wie noch nie. Energie effizient zu erzeugen, zu steuern und zu nutzen, ist ein entscheidender Hebel für die Digitalisierung und Dekarbonisierung. Intelligente Technologien und neue Halbleitermaterialien wie Galliumnitrid (GaN) spielen hier eine Schlüsselrolle. GaN-Leistungshalbleiter bringen mehr Leistung auf kleinem Raum, sparen Energie und minimieren so den CO2-Fußabdruck.

Im Forschungsprojekt „UltimateGaN" hat sich ein Team aus Wissenschaft und Wirtschaft der Aufgabe gestellt, die Vorteile der GaN-Technologie für viele Anwendungen nutzbar zu machen. Die Ergebnisse sind wegweisend. Durch material- und prozesstechnische Weiterentwicklungen gelang es, effiziente und kompakte GaN-Energiesparchips auch in Zukunft zu global wettbewerbsfähigen Kosten bereitzustellen. Profitieren können davon viele Anwendungen – vom kabellosen Laden des E-Autos, über die verlustarme, reibungslose Anbindung von Solarenergie ins Netz bis hin zum schnellen, kostengünstigen Ausbau von 5G-Netzen.

So konnte in puncto Energieeffizienz der entwickelte Prototyp für das kabellose Laden von E-Autos die Energie mit einem Effizienzgrad von 96 Prozent übertragen. Zum Vergleich: Am Markt verfügbare Systeme liefern aktuell Wirkungsgrade von maximal 93 Prozent. Eine Drei-Prozent-Verbesserung der Energieeffizienz bietet das Potenzial, bis 2030 eine Verringerung von circa 1,7 Megatonnen CO2 pro Jahr zu erreichen, das sind etwa so viel wie rund eine Million Autos mit Verbrennungsmotor ausstoßen.

Großes Potenzial liegt im Bereich der Integration erneuerbarer Energien auch bei Energien aus Sonne und Wind und deren Einbindung ins Stromnetz. Intelligente Leistungselektronik minimiert Energiewandlungsverluste und holt sozusagen mehr Strom heraus. Im Projekt wurde dazu ein modulares GaN-Wandlungskonzept für die Integration von Microgrids - also lokalen Teilnetzen aus Photovoltaik, Wind und Speichertechnologien - in das Smart Grid umgesetzt. Mehr als 3.000 Stunden Feldtests belegen, dass die GaN-Bauelemente beste Zuverlässigkeit bei gleichzeitig höchsten Wirkungsgraden von bis zu 98,4 Prozent aufweisen und damit die Energiewende entscheidend voranbringen.

Ebenso legen die Forschungen auch die Basis für GaN-Verstärkermodule und damit für einen schnellen Datentransfer beispielsweise für das blitzschnelle Videostreamen oder die Kommunikation im Internet der Dinge. Da die energieeffizienten 5G-Verstärker aus GaN auch kostengünstiger sind, wird ein schnellerer, energieeffizienter und klimaschonender 5G-Rollout ermöglicht. Das Projekt wurde auch mit dem Futurezone Award 2019 in der Kategorie 5G ausgezeichnet.

Die österreichischen Partner hatten erheblichen Anteil am Erfolg dieses Europäischen Forschungsprojektes. So lagen die Verantwortung für die Koordination des Gesamtprojektes als auch die Leitung von drei Arbeitspaketen in Österreich.

Konsortialführung

• Infineon Technologies Austria AG

Weitere Konsortialpartner

Österreich

• Austria Technologie & Systemtechnik AG
• Fronius International GmbH
• CTR Carinthian Tech Research AG
• Technische Universität Graz 

Belgien

• IMEC 

Deutschland

• AIXTRON SE
• Infineon Technologies AG
• Siltronic AG
• Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH
• Fraunhofer Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
• Technische Universität Chemnitz
• NaMLab GmbH 

Italien

• Università degli studi di Padova
• Infineon Technologies Italia
• Universita di Milano Bicocca 

Norwegen

• Eltek AS 

Slowakei

• Slovak University of Technology in Bratislava 
• Nano Design SRO 

Schweiz

• Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne EPFL
• Attolight SA 

Spanien

• IKERLAN
• For Optimal Renewable Energy
• LEAR 

Schweden

• RISE Research Institutes of Sweden AB
• SweGaN AB