Zündende Idee aus dem ISit in Itzehoe könnte die Autowelt revolutionieren

Holger_Kapels

Seine Forschung könnte für deutlich mehr Platz im Innenraum von Elektroautos sorgen. Holger Kapels (auf dem Foto mit einem beschichteten Wafer) ist Spezialist für Miniaturisierung. Der Elektrotechniker des Fraunhofer-Instituts für Siliziumtechnologie Itzehoe (Isit) will elektronische Bauelemente deutlich verkleinern. «Unser Ziel ist der Faktor 10, also zehn Prozent der aktuellen Größe bei gleichen Eigenschaften», sagt er. Helfen sollen die Eigenschaften von Galliumnitrid (GaN). Der Halbleiter könnte in einigen Jahren Silizium als Baustoff in der Mikroelektronik ablösen.

Mit einem kleinen Team forscht der 47-Jährige in dem 1000 Quadratmeter großen Reinraum des Instituts in Schleswig-Holstein an Halbleiter-Bauelementen auf Galliumnitrid-Basis. «Denn beim Silizium kommt die Entwicklung an physikalische Grenzen», sagt Kapels. Deshalb ließen sich Elektronikbausteine «nicht auf ewig miniaturisieren». Um die Chips kleiner fertigen zu können, sind neue Materialien nötig.

Für Wirtschafts- und Technologie-Minister Bernd Buchholz ein vielversprechendes Forschungsprojekt: «Wir sind froh, dass wir dem Isit in Itzehoe – ebenso wie mit der Fraunhofer-Einrichtung für Marine Biotechnologie in Lübeck – solche pragmatischen Leuchttürme des Technologietransfers besitzen.»

Der neue Werkstoff ist deutlich leistungsfähiger als Silizium. Das Problem: Galliumnitrid ist zum einen wesentlich schwieriger zu bearbeiten und – noch – deutlich teurer. Kapels rechnet aber mit massenmarkttauglichen Preisen in wenigen Jahren. «Denn Galliumnitrid hat bessere Eigenschaften als Silizium», sagt er. Wafer mit einer solchen Beschichtung halten dank der Verbindung von Gallium und Stickstoff höhere Spannungen und Stromstärken aus. Und sie geben deutlich weniger Wärme ab. Bei Bluray-Datenträgern, LED-Taschenlampen und Lasern kommt die Technologie bereits zum Einsatz.

ISiT in Itzehoe
Leuchtturm der Technologie-Forschung: Das FRaunhofer-Institut für Siliziumtechnologie in Itzehoe (ISiT)

Künftige Anwendungsgebiete sieht der Geschäftsfeldleiter Leistungselektronik des Fraunhofer-Instituts in Netzgeräten für Notebooks, Windrädern und Photovoltaik-Anlagen, aber auch Zügen und Elektroautos. Bei Windrädern sei die Größe zwar weniger entscheidend, sagt der Forscher. Dafür profitieren diese von einem anderen Vorteil. «Die neuen Halbleiter werden bei weitem nicht so heiß, deshalb sind sie deutlich langlebiger.» Bei Windrädern ließen sich die Wartungsintervalle so verlängern und Kosten senken. «Wir wollen erreichen, dass Bauelemente die gesamte Lebensdauer eines Windrades halten. Und das dürfen gerne 20 oder 30 Jahre sein.»

Der in Niedersachsen aufgewachsene Forscher baute sich schon als Jugendlicher Radios und Verstärker. Bereits damals kam in der Industrie Silizium zum Einsatz. Die Technik ist mehr als 60 Jahre gewachsen. An Leistungshalbleitern aus Galliumnitrid werde dagegen erst von wenigen Instituten geforscht, sagt Kapels.

Aktuelle Halbleiter auf Basis von Galliumnitrid verfügten über sogenannte laterale Strukturen, bei denen der Strom nur auf der Oberfläche fließe, sagt Kapels. «Wenn der Strom aber vertikal fließt, nutzt er das Material viel besser aus.» Daran arbeitet sein Team. In den kommenden drei Jahren werden deshalb am Fraunhofer-Institut in Schleswig-Holstein fünf Millionen Euro für entsprechende Anlagen zur Entwicklung solcher Strukturen investiert. «Wir befinden uns dabei in einem Wettlauf mit japanischen Forschern.»

Die von Kapels und seinen Kollegen entwickelten Halbleiter sind nur gut zehn Quadratmillimeter groß. Ihre Aufgabe ist es, kleine Trafos anzusteuern. «Sie sind nichts anderes als ein An- und Aus-Schalter. Nur dass sie zigtausende Mal pro Sekunde betätigt werden», erklärt der Forscher. «Das schnelle Schalten ist die wesentliche Basis für die Miniaturisierung.»

Noch kommt in Netzteilen meist aber Silizium-Technologie zum Einsatz. «Das Ziel ist es, heute noch relativ große und schwere Netzteile künftig in den Stecker selbst zu integrieren», sagt Kapels. Bislang sei das aufgrund der relativ kleinen Leistung nur bei Smartphones möglich, bald aber auch bei Netzteilen von größeren Notebooks und anderen Geräten. Der Einsatz geht bei einem einfachen Netzteil los und endet beim Elektroauto der Zukunft. «Bei Unterhaltungselektronik ist das Problem, dass man sie ständig mit sich herum trägt. Beim Pkw geht es um zusätzliches Gewicht, dass Energie kostet», sagt Kapels.

Beim Auto hat die Technik aber nicht nur einen positiven Effekt auf die Umweltbelastung, weil leichtere Autos weniger Energie verbrauchen, sondern auch einen ganz praktischen Vorteil für den Autofahrer: «Wenn der Elektromotor kompakter wird, könnten Ingenieure auf dem gleichen Chassis eine größere Fahrgastzelle bauen.» Mehr Fußraum also durch Galliumnitrid.

Bis dahin ist aber noch einige Forschungsarbeit nötig. Ende 2019 wollen der Physiker und seine vier Mitstreiter einen ersten Prototypen produzieren.

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