Leistungshalbleiter

SiC ist der Star von heute, GaN das Versprechen an die Zukunft

10. Februar 2014, 11:29 Uhr   |  Engelbert Hopf

Leistungshalbleiter sind das Herzstück einer effizienten Energienutzung. Neue Halbleitermaterialien könnten diese Effizienz noch steigern. Das Beispiel Solarinverter aber zeigt: Unter Kostendruck können Entwickler auch mit klassischen Silizium-Leistungshalbleitern erstaunliche Wirkungsgrade realisieren.

Warum sind Investoren wie KPCB, Foundation Capital, Soros Fund Management, Luxcapital, Bright Capital, INCJ und Google Ventures bereit, mehr als 100 Millionen Dollar in ein Startup zu stecken, das mit einem Wide-Band-Gap-Material Teile des Leistungshalbleitermarktes revolutionieren will? Weil einer seiner Gründer, Dr. Umesh Mishra, mit seiner Entwicklung angetreten ist, um den Energieverbrauch deutlich effizienter zu gestalten. Bislang gehen nämlich 10 Prozent der in den USA verbrauchten Energie bei der Leistungsumwandlung verloren. Diese Verluste zu halbieren, war das Ziel von Dr. Mishra, als er zusammen mit Dr. Primit Parikh Transphorm gründete, um Leistungshalbleiter auf GaN-on-Silicon-Basis zu entwickeln.

Welche Auswirkungen eine Verbesserung des Wirkungsgrades um 2 Prozent durch den Einsatz von GaN-on-Silicon-Schaltern im Eingangsbereich von Stromversorgungen hätte, kann sich jeder ausrechnen: Die anfallenden Stromkosten würden sich wohl um ein Fünftel reduzieren. Allein schon Betreiber großer Server-Center dürften darum ein großes Interesse daran haben, diese Technologie rasch und erfolgreich zur Marktreife zu entwickeln.

Transphorm kann seit September 2012 einen JEDEC-qualifizierten 600-V-GaN-on-Silicon-Transistor vorweisen und wird noch in diesem Jahr mit der Serienproduktion dieser Leistungsschalter auf einer 8-Zoll-Waferlinie beginnen. Wohl in der zweiten Jahreshälfte 2014 will auch Panasonic mit der Serienproduktion seines 600-V-GaN-on-Silicon-Leistungshalbleiters auf einer 6-Zoll-Waferlinie beginnen.

Bis diese Wide-Band-Gap-Schalter im Bereich der erneuerbaren Energien zum Einsatz kommen, dürften allerdings noch ein paar Jahre vergehen. Doch der GaN-on-Silicon-Markt, auf dem viel mit Private-Equity-Geld geforscht, entwickelt und bis zu einem gewissen Maße auch produziert wird, entwickelt sich sehr dynamisch. Nach Einschätzung von Victoria Fodale, Senior Analyst IHS Electronics & Media, wird der noch junge GaN-Leistungshalbleitermarkt schon im Jahr 2016 weltweit die 100-Millionen-Dollar-Umsatz-Schwelle überschreiten, und für 2022 prognostiziert die Analystin ein Umsatzvolumen von über 1 Milliarde Dollar. Sie geht sogar davon aus, dass die Umsatzbedeutung von GaN-Leistungshalbleitern 2022 die von SiC übertreffen wird und dieser Überrundungsprozess bereits 2018 beginnen wird.

SiC war zumeist in Form von Dioden und etwa seit 2009 auch in Form von JFETs für Applikationen mit besonders hohen Wirkungsgradanforderungen zum Einsatz gekommen. Seit Cree damit im Januar 2011 vorpreschte, stehen den Entwicklern, etwa von Solarinvertern, inzwischen auch SiC-MOSFETs zur Verfügung. Besonders erfreulich für die Entwickler: Sie sind inzwischen nicht mehr nur auf eine Lieferquelle angewiesen;, mit Rohm Semiconductor, Mitsubishi Electric Semiconductor und STMicroelectronics sind inzwischen weitere namhafte Halbleiterhersteller hinzugekommen. Dass trotzdem im letzten Jahr beispielsweise nicht so viele Solarinverter mit SiC-Lösungen realisiert wurden, wie sich das der eine oder andere Entwickler vielleicht vorgestellt hat, ist vor allem auf den Konsolidierungsprozess zurückzuführen, den die deutsche Solarindustrie seit knapp drei Jahren durchläuft.

Beispiel: Solarinverter

Wer in der Vergangenheit Solarinverter mit extrem hohen Wirkungsgraden von 98 Prozent plus X realisieren wollte und das mit IGBTs nicht zustande bekam oder zustande bringen wollte, der griff auf das, bezogen auf den Einzelstückpreis, deutlich teurere Produkt SiC zurück. Ausgehend von den stark fallenden Solarmodulpreisen und der von staatlicher Seite zurückgeschraubten Vergütung für mittels PV-Anlagen erzeugten Strom, versuchen die Solarinverter-Hersteller inzwischen verstärkt, hohe Wirkungsgrade mit einem deutlich niedrigeren Kostenansatz zu erreichen. Besonders hoch ist dieser Druck im Residential-Bereich. Das Ausdesignen der SiC-Leistungshalbleiter soll helfen, Marktanteile zu halten oder im besten Fall noch hinzuzugewinnen.

Kein Wunder also, dass das Jahr 2013, wie Werner Obermaier, Director Product Marketing bei Vincotech, erläutert, »in der Solarinverterbranche von Redesigns geprägt war, in denen es um den Ersatz von SiC durch kostengünstigere, klassische Silizium-Lösungen ging« – ein Trend, den die SiC-Spezialisten Cree und Infineon Technologies mehr oder minder zähneknirschend hinnehmen mussten. Dieter Liesabeths, Director Power Sales EMEA bei Cree Europe, ist trotzdem zuversichtlich, das dies nur eine vorübergehende Erscheinung war: »Ohne Zweifel haben auch wir diesen Trend vor allem in der ersten Jahreshälfte 2013 registriert. Wir beobachten aber in den letzten Monaten wieder eine Umkehr dieser Entwicklung und gehen deshalb davon aus, dass SiC-MOSFETs schon in diesem Jahr entscheidend dazu beitragen werden, die Gesamtkosten solcher Systemlösungen zu reduzieren«.

Leistungshalbleiter und erneuerbare Energien – beide Seiten waren speziell in Deutschland spätestens seit der Einführung des EEG eine sich gegenseitig befruchtende Entwicklung eingegangen, die bis 2010/11 vor allem durch extrem steigende Bedarfe gekennzeichnet war. Für Branchenkenner wie Thomas Grasshoff, Head of Product Management bei Semikron International, »war die Marktexplosion der erneuerbaren Energien, vor dem Beginn der staatlichen Regulierungseinschnitte, das absolute Sahnehäubchen auf dem ohnehin schon sehr guten Antriebs- und sonstigen Leistungselektronikgeschäft. Als dieser Boom dann durch verschiedene Ereignisse in Deutschland, aber auch in anderen Ländern wie China, kollabierte, war das nicht auszugleichen.«

Wie massiv der Impact der Schwierigkeiten vor allem im Photovoltaik-, aber auch im Windkraftbereich war, lässt sich auch gut am Zahlenmaterial des Marktforschungsunternehmens IHS ablesen. IGBTs spielen bei der Realisierung von Schaltungsdesigns in Solarinvertern bis zur Serienverfügbarkeit von SiC-JFETs und -MOSFETs eine dominierende Rolle. Die Zahlen von IHS zeigen, dass der Weltmarkt für IGBT-Module von 2011 auf 2012 um über 1 Milliarde Dollar von 4,08 auf 3,01 Milliarden Dollar gesunken ist. Deutlich geringer fiel der Rückgang nach Angaben von IHS im Bereich der diskreten IGBTs aus, hier reduzierte sich das Umsatzvolumen weltweit von 2011 auf 2012 von knapp 1,1 auf 1,04 Milliarden Dollar.

Nachdem sich der Solarmarkt 2013, zumindest in Deutschland, ähnlich schwach präsentiert hat wie 2012, sind die Erwartungen der Leistungshalbleiterbranche an diesen Abnehmermarkt im Jahr 2014 allenfalls moderat. Claus Panzer, Senior Dircector Marketing, Industrial Power, bei Infineon Technologies, stellt denn auch nüchtern fest, »dass die erneuerbaren Energien für unsere Branche in den letzten zehn Jahren eine signifikante Größe erreicht haben, dass aber die weitere Entwicklung dieses Absatzmarktes heute global von schwer vorhersagbaren politischen Einflussnahmen abhängig ist«.

Dabei sind die verhaltenen Wachstumserwartungen vor allem auf den deutschen und mitteleuropäischen Raum bezogen. Weltweit betrachtet, entwickelt sich das PV-Geschäft inzwischen durchaus wieder dynamisch. Panzer und Grasshoff stimmen deshalb darin überein, dass die neuen 5-Jahres-Pläne der im letzten Jahr angetretenen neuen Führung in China inzwischen durchaus wieder Momentum entwickeln. »Nachdem die Regierung wieder ein neues Programm aufgelegt hat«, so Grasshoff, »herrscht auf dem chinesischen Windmarkt inzwischen wieder so etwas wie Goldgräberstimmung«. Anders als in der Vergangenheit versuchen nach Grasshoffs Beobachtung nun auch verschiedene Neueinsteiger ihr Glück in diesem Bereich – eine Entwicklung, die er absolut positiv bewertet: »Da entstehen neue Wachstumsmöglichkeiten für uns, und es fallen dort Entscheidungen oft deutlich schneller, als das bei etablierten Unternehmen der Fall ist.

Auf Facebook teilenAuf Twitter teilenAuf Linkedin teilenVia Mail teilen

Das könnte Sie auch interessieren

Crees SiC-MOSFETs machen E-Mobility effizienter
Ist Siliziumkarbid wirklich noch teurer als Silizium?

Verwandte Artikel

Cree Europe GmbH, Cree Inc., Vincotech GmbH, SEMIKRON International GmbH, Infineon Technologies AG