Komplementäres GaN für Hochtemperaturelektronik (C-GaN)

• Antragsteller: Dr.-Ing. Mohammed Alomari; Professor Dr. Renato Negra; Professor Dr.-Ing. Andrei Vescan
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 322067837

Der Kern von elektronischen Systemen zur Messwerterfassung, Datenverarbeitung und deren Übertragung sind zum heutigen Stand der Technik Bauelemente und Schaltungen, die auf Halbleitermaterialien wie Silizum basieren. Der überwiegende Teil dieser Systeme ist für den Betrieb bis maximal 125°C (typische Anforderung im Automobilbereich) ausgelegt. Bereits heute gibt es jedoch eine breite Palette von Anwendungen, wie Turbinen, Tiefbohranlagen und Verbrennungsmotoren, bei denen Temperaturen bis jenseits von 1000°C erreicht werden. Die Überwachung und Steuerung solcher Systeme ist für einen effektiven und sicheren Betrieb von größter Bedeutung. Unter solchen extremen Bedingungen kann herkömmliche Mess- und Kotrollelektronik nicht mehr funktionieren. Es können nur einfache passive Sensoren zum Einsatz kommen, die aktive Elektronik muss in großem Abstand untergebracht werden. Dies geschieht jedoch auf Kosten der Genauigkeit und Geschwindigkeit des Systems, was wiederum erfordert, dass die spezifischen Anwendungen nur unter konservativen Bedingungen laufen, auch wenn das nicht die idealen in Bezug auf Effizienz und Umweltfreundlichkeit sind. Um eine effiziente Durchführung und Überwachung solcher Prozesse bis 1000°C zu ermöglichen, wird eine echte Hochtemperatur-Elektronik benötigt. Im Rahmen des Projektes werden grundlegende elektronische Komponenten, die für solche extremen Bedingungen geeignet sind, systematisch untersucht. Ziel ist es, den Stand der Technik und speziell die Bereiche, für die aktive elektronische Systeme angewendet werden können, signifikant zu erweitern. Der Ausgangspunkt für die Realisierung der Hochtemperaturelektronik ist Galliumnitrid, das im Vergleich zum üblicherweise verwendeten Silizium überlegene Materialeigenschaften hat, und deshalb die beste Lösung im Hinblick auf Funktionalität und Temperaturstabilität darstellt. Dieses Material ist bereits von den blauen und weißen Leuchtdioden bekannt, und es wird auch für die Herstellung von Mobilfunk-Basisstationen verwendet. Um die ehrgeizigen Ziele des Projekts zu erreichen, müssen eine Vielzahl grundlegender wissenschaftlicher Fragen sowie praktischer Herausforderungen überwunden werden. Zum Beispiel: Wie ist die Wechselwirkung der verschiedenen Materialien bei hohen Temperaturen und wie beeinflusst das die Funktion der elektronische Schaltungen? Wie können die entwickelten Komponenten unter realistischen Betriebsbedingungen untersucht werden? Um diese Fragestellungen anzugehen, werden die Antragsteller ihre jeweilige Expertise von der Materialherstellung, über die Bauelementtechnologie bis zum Schaltungsdesign, einschließlich der Bewertung der Funktionalität unter realistischen Betriebsbedingungen in das Projekt einbringen um schließlich einen Demonstrationsschaltkreis zu realisieren, der bei 800-1000°C betrieben werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen