Forschung im Fokus

GaN-Leistungstransistoren für effiziente Energiekonverter

GaN-Transistor
Selbstsperrender GaN-Transistor mit hoher Spannungsfestigkeit

Steigender Energiebedarf und knapper werdende Ressourcen machen die Energieeffizienz zu einem der zentralen Zukunftsthemen. Neuartige Bauelemente, die beispielsweise Wind- oder Solarenergie möglichst verlustarm in nutzbare Energie für Endverbraucher umwandeln, gewinnen daher an Bedeutung. Künftig sollen mit Leistungstransistoren auf Basis von Galliumnitrid (GaN) elektrische Konversionsverluste deutlich reduziert werden. GaN-Transistoren bieten dank ihrer hohen Sperrspannungen und geringen Einschaltwiderstände ideale Voraussetzungen für verlustarme elektronische Schalter. Dem FBH ist es gelungen, die Spannungsfestigkeit auf über 1000 V zu erhöhen und dabei den elektrischen Widerstand im eingeschalteten Zustand stark zu minimieren. Gleichzeitig sind die Transistoren selbstsperrend und leiten Strom bis zu 150 A pro Bauelement – dies sind weltweite Spitzenergebnisse. Möglich werden diese Werte durch technische Optimierungen, die gezielt aufeinander abgestimmt sind: von den Halbleiterschichten, dem Transistordesign, der Herstellungstechnologie bis hin zur Aufbautechnik.

Publikation:

"Normally-off AlGaN/GaN HFET with p-type GaN Gate and AlGaN Buffer"

Kompakte ps-Lichtquelle mit integriertem Pulspicker

ps-Lichtquelle
ps-Lichtquelle verbindet Laser- und HF-Know-how des FBH

Für Anwendungen, etwa in der Material- und Bioanalytik oder Materialbearbeitung, entwickelt das FBH leistungsfähige ps-Lichtquellen mit integriertem Pulspicker. Mit einer solchen Quelle können Einzelpulse aus den hochfrequenten Pulsfolgen modengekoppelter Diodenlaser präzise selektiert werden. Herzstück des etwa faustgroßen Moduls ist ein 1 cm langer 4-Sektions-DBR-Laser (Masteroszillator). Dieser erzeugt mittels Modenkopplung sehr kurze optische Pulse mit einer Halbwertsbreite von 10 ps und einer Folgefrequenz von 4,3 GHz. Ein optisch nachgeschalteter, aus zwei Sektionen bestehender Diodenlaserverstärker dient zur Pulsselektion und Verstärkung. Ultraschnelle GaN-Transistoren schalten dabei durch Strommodulation die erste Sektion, den Pulspicker, in nur 200 ps transparent bzw. absorbierend. In der zweiten Sektion, dem Verstärker, wird die Spitzenleistung von 1 auf 50 Watt erhöht. Dafür werden ebenfalls GaN-Transistoren genutzt, die innerhalb weniger Nanosekunden einen hohen Strom einspeisen können. Durch den Aufbau auf einer optischen Mikrobank und das umfassende Schaltungs-Know-how ist eine kompakte Quelle entstanden, mit der maßgeschneiderte Impulsfolgen im Bereich von 100 MHz bis zu einigen kHz erzeugt werden können.

Publikationen:

Vortrag:

Vortrag auf der CLEO Europe 2009: "A new concept of an ultra fast pulse picker for fs- and ps-pulses from GHz pulse-trains with semiconductor tapered elements"

Projekte:

  • INDILAS - hybrid-integrierte Diodenlaser-Komponenten
  • FAZIT - Komponenten für gepulste Faserlaser mit erweitertem zeitlichen und spektralen Parameterbereich

GaN-Kristalle hoher Qualität

GaN-Kristall
Am FBH gewachsener GaN-Kristall

Zur Herstellung effizienter und langlebiger, blau-violetter Laserdioden werden möglichst kostengünstige Galliumnitrid (GaN)-Substrate in hoher Materialqualität benötigt. Diese werden von der Industrie meist individuell auf Fremdsubstrat durch Wachstum und Ablösen hergestellt. Als Alternative dazu entwickelt das FBH eine Technologie zur Herstellung dicker GaN-Kristalle, aus denen mehrere GaN-Substrate von höherer Qualität herausgesägt werden sollen. GaN-Kristalle von zwei Zoll Durchmesser und einer Länge von über 6 mm mit sehr hohen und damit produktiven Wachstumsraten von 0,45 mm/h werden damit bereits erreicht. Niedrige Versetzungsdichten bis weit unter 106 cm-2, hohe Materialreinheit und hervorragende Wärmeleitfähigkeit von nahezu 300 W/mK zeigen die sehr gute Materialqualität dieser Kristalle. Ziel ist es, Durchmesser und Schichtdicke weiter zu vergrößern und aus den Kristallen GaN-Substrate bei einem Industriepartner herzustellen. Zudem sollen durch die Dotierung mit Silizium bzw. Eisen n-leitende und semiisolierende GaN-Substrate möglich werden. Dies erschließt neue Anwendungsbereiche bei ultrahellen LEDs und schnellen Leistungsschalttransistoren.

Publikationen:

Vortrag:

09/2010: "HVPE of GaN for substrates"