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Halbleiterfertigung: Um 25 Prozent verbesserte Energieeffizienz mit Siliziumkarbid

Durch Umstellung der Leistungshalbleiterfertigung auf Siliziumkarbid stiege der Wirkungsgrad der Prozessstromversorgungen auf über 80 Prozent. Eine einzige große Float Zone Produktionsanlage könnte dadurch 200.000 kWh Energie sparen, hat das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) berechnet.

Abschmelzstelle eines Silizium-Einkristallstabs aus Zonenschmelzverfahren Bildquelle: © TRUMPF Hüttinger

Abbildung der Abschmelzstelle eines Silizium-Einkristallstabs, der mit dem Zonenschmelzverfahren hergestellt wurde.

Im Verbundforschungsprojekt »Modulare Mittelfrequenz-Prozessstromversorgung mit Siliziumkarbid-Leistungshalbleiterschaltern« (MMPSiC) untersuchen Forscher des Lichttechnischen Institutes (LTI) des KIT mit Partnern der TRUMPF Hüttinger GmbH + Co. KG aus Freiburg und der IXYS Semiconductor GmbH (Lampertheim) die Realisierbarkeit neuartiger Prozessstromversorgungen. Das bei der Herstellung hochreiner kristalliner Werkstoffe bedeutende Zonenschmelzverfahren (Float Zone Verfahren) benötig erhebliche Mengen elektrischer Energie. In einer schmalen Zone wird eine Substanz elektrisch geschmolzen und die Schmelzzone sukzessive weitergeführt. Kristallisiert die Substanz hinter der Schmelzzone wieder, ist sie reiner als vorher, wie es unter anderem für die Herstellung von Solarzellen aus hochreinen Silizium-Einkristallen nötig ist.

Bislang auf Röhrentechnologie basierende Systeme zur Stromversorgung der Zonenschmelzanlagen weisen einen elektrischen Wirkungsgrad von maximal 65 Prozent auf. Durch Umstellung der Leistungshalbleiter auf Siliziumkarbid wäre der Wirkungsgrad der Prozessstromversorgung auf über 80 Prozent zu steigern. Eine Mit 20 x 150 kW-Prozessstromversorgern ausgestattete Zonenschmelzanlage würde bei einer jährlichen Laufzeit von 4.800 Stunden mehr als 200.000 kWh elektrische Energie einsparen.

Das Halbleitermaterial Siliziumkarbid ermöglicht wegen einer größeren elektronische Bandlücke höhere Betriebstemperaturen als konventionelle Halbleiter und es sorgt in leistungselektronischen Bauteilen für höhere Kompaktheit und Energieeffizienz.

»Bei der Stromversorgung von energieintensiven industriellen Anwendungen wie dem Zonenschmelzverfahren ist es erforderlich, mit hohen Frequenzen zu schalten«, erklärt der Leiter des Projekts, Dr. Rainer Kling vom LTI des KIT. »Siliziumkarbid ist für diese hohen Frequenzen noch nicht erprobt; wir betreten damit Neuland.« Neben der Prüfung der Langzeitbeständigkeit gehören auch die Ansteuerung und das Layout der Schaltung zu den Aufgaben der KIT-Forscher im Verbundprojekt MMPSiC.

Das 2014 gestartete Verbundforschungsprojekt ist auf drei Jahre angelegt und wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Fördermaßnahme »Lei9stungselektronik zur Energieeffizienzsteigerung« (LES 2) mit 800.000 Euro bezuschusst.