Am Erlanger Fraunhofer IISB entsteht die erste industriell gestützte Kleinserie einkristalliner Aluminiumnitrid-Substrate in Europa. Das Material gilt als Leistungshalbleiter der übernächsten Generation. Für Entscheider zählt vor allem, dass die bislang fehlende Vorstufe der Lieferkette jetzt aus Europa kommt.
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Aluminiumnitrid wächst bei über 2.000 Grad Celsius aus Pulver zu einem Kristall, und dieser Prozess hat in Serie bisher fast nur außerhalb Europas stattgefunden. Fraunhofer IISB und der hessische Anlagenbauer PVA TePla bündeln ihre Kräfte jetzt in einem gemeinsamen Labor. Ziel ist eine verlässliche europäische Quelle für 2-Zoll-Substrate, auf denen die Leistungselektronik von morgen aufbaut.
Das Wichtigste in Kürze
- Fraunhofer IISB und PVA TePla gründen ein Joint Lab für einkristalline Aluminiumnitrid-Substrate mit 2 Zoll Durchmesser.
- Es ist die erste industriell gestützte Kleinserie dieser Substrate in Europa.
- Aluminiumnitrid ist ein Ultrabreitband-Halbleiter und gilt als nächste Stufe nach Siliziumkarbid und Galliumnitrid.
- Die Anwendungen reichen von Leistungselektronik über Hochfrequenztechnik bis zu Elektronik unter Extrembedingungen.
Warum ist Aluminiumnitrid der Halbleiter für übermorgen?
Aluminiumnitrid hat eine Bandlücke von rund 6 Elektronenvolt, etwa fünfmal so viel wie Silizium. Diese Ultrabreitband-Eigenschaft erlaubt höhere Spannungen, Temperaturen und Frequenzen, als Siliziumkarbid oder Galliumnitrid sie erreichen.
Der eigentliche Engpass ist nicht die Idee, sondern das Substrat. Ohne verfügbare Einkristalle lässt sich kein Bauelement fertigen.
In Labormustern hat das Fraunhofer IISB schon 2024 gezeigt, dass nitridgestützte Transistoren bis zu dreitausendmal weniger Leitungsverluste erzeugen als Silizium und Durchbruchsspannungen bis 2.200 Volt aushalten.[2] Genau solche Kennwerte zählen in den Feldern, in denen Europa mit Infineon oder Bosch stark ist. Der jüngste GaN-Patentstreit um Infineon und die neue Fünf-Milliarden-Chipfabrik in Dresden zeigen, wie umkämpft dieser Markt bereits ist.
Wie werden aus einer SiC-Anlage AlN-Kristalle?
PVA TePla steuert bewährte PVT-Anlagen bei, ursprünglich für 8-Zoll-Siliziumkarbid entwickelt und nun für Aluminiumnitrid angepasst. Das Fraunhofer IISB bringt das Züchtungs-Know-how ein und verarbeitet die Kristalle zu epi-reifen 2-Zoll-Substraten.
Beim Physical Vapor Transport verdampft Aluminiumnitrid-Pulver im Tiegel bei über 2.000 Grad und schlägt sich auf einem Impfkristall nieder. Dass dieselbe Anlagenbasis vorher achtzöllige Siliziumkarbid-Kristalle gezogen hat, senkt die Einstiegshürde erheblich.
„Mit dem Joint Lab legen wir das Fundament für eine verlässliche Versorgung mit AlN-Substraten aus Europa“, sagt Dr. Sven Besendörfer, Gruppenleiter Nitridmaterialien am Fraunhofer IISB.[1] Dr. Jan Pfeiffer, Forschungsvorstand bei PVA TePla, ergänzt: „Mit Aluminiumnitrid gestalten wir die nächste Technologiegeneration aktiv mit.“[1]
Je größer die Bandlücke, desto höhere Spannungen, Temperaturen und Frequenzen verträgt ein Halbleiter. Aluminiumnitrid setzt hier neue Maßstäbe, doch bislang fehlte die europäische Substratquelle.
Bandlücke im Vergleich (in Elektronenvolt)
Was das Joint Lab konkret liefert
Roadmap der Substratgröße
Der teuerste Teil einer Lieferkette ist der, den man nicht selbst besitzt. Europa hat lange die fertigen Chips diskutiert und die Kristalle darunter vergessen.
Markus Seyfferth, Chefredakteur Dr. Web
Was bedeutet das für Europas Chip-Souveränität?
Substrate sind die Vorstufe, an der Europas Halbleiterpläne bisher hängen. Eine heimische Kristallzucht senkt die Abhängigkeit von Importen aus den USA und Asien und stärkt die Leistungselektronik für E-Autos, Ladeparks und Stromnetze.
„Für Europas Halbleitersouveränität ist entscheidend, dass neue Schlüsselmaterialien schnell in die Industrie wandern“, sagt Dr. Christian Forster, Geschäftsführer der LZE GmbH.[1] Der EU Chips Act will den europäischen Chip-Anteil bis 2030 auf 20 Prozent verdoppeln, doch die Materialstufe darunter ist bislang Importsache geblieben.
Ähnlich wie beim Rohstoff Hafnium entscheidet sich Souveränität nicht am fertigen Bauteil, sondern eine Stufe früher. Für Betreiber von Schnellladeparks und Netzinfrastruktur zählt am Ende, dass verlustärmere Leistungselektronik früher verfügbar wird.
Technologiepartnerschaften sollten Aluminiumnitrid deshalb jetzt auf die Beobachtungsliste setzen, statt auf die etablierten Lieferländer zu warten. Die Roadmap zeigt Richtung 4 und 6 Zoll. Genau diese Materialstufe hat Europa in der breiteren Debatte um seine digitale Souveränität bisher unterschätzt.
Quellen
[1] Fraunhofer IISB: „PVA TePla and Fraunhofer IISB Establish Joint Lab for Aluminum Nitride Substrates“ ↩
[2] Fraunhofer IISB: „Supply chain for power electronic devices based on novel semiconductor material aluminum nitride, made in Germany“ ↩
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