Neues Material für die ­Leistungselektronik

Wirtschaftsthemen / 22.9.2010

Das Halbleitermaterial Galliumnitrid eröffnet neue Möglichkeiten in der Hochfrequenz-, Opto- und Leistungselektronik. Die Ulmer United Monolithic Semiconductors GmbH (UMS) möchte zusammen mit den Experten des Fraunhofer IAF dieser Materialklasse zum industriellen Durchbruch verhelfen.

Bild: Wafer mit GaN-Transistoren und Schaltungen.
© Foto UMS

Wafer mit GaN-Transistoren und Schaltungen.

Fachleute aus der ganzen Welt sehen in Nitridhalbleitern ein enormes Potenzial in der Optoelektronik für Leucht- und Laserdioden, in der drahtlosen Kommunikations- und Sensortechnik und als Leistungswandler für die E-Mobilität. Sogar die elektrische Ausbeute von Solarzellen und Windanlagen lässt sich mit einer leistungsfähigeren Elektronik weiter steigern. Kaum ein anderes Halbleitermaterial übt deshalb auf Physiker und Elektronikspezia- listen eine höhere Anziehungskraft aus und weckt den Entwicklergeist mehr als Galliumnitrid (GaN). Marktprognosen geben deutliche Hin- weise darauf, dass die weltweite Nachfrage nach energiesparenden Mikrowellenverstärkern und Leistungsbauelementen wächst – auch aufgrund des weiteren Ausbaus von Mobilfunknetzen, der Fortschritte in der Verteidigungs- und Raumfahrttechnik sowie neuer Herausforderungen an die Automobilelektronik.

Radartechnik, Mobilfunk, Hochfrequenzgeneratoren

In Europa ist die Ulmer Bauelementeschmiede United Monolithic Semiconductors GmbH (UMS) zusammen mit dem französischen Partnerunternehmen United Monolithic Semiconductors S.A.S. in Orsay federführend bei der Herstellung von Galliumarsenid-Komponenten. Auch bei der kommerziellen Markteinführung der GaN-Elektronik übernimmt UMS eine Vorreiterrolle. Zusammen mit dem Fraunhofer-Insitut für Angewandte Festkörperphysik IAF in Freiburg will der Elektronikhersteller seine Marktposition weiter stärken und den Geschäftsradius erweitern.

International sind US-amerikanische und japanische Konzerne führend beim schnellen Aufbau von Entwicklungs- und Fertigungskapazitäten für neue Technologien. Das soll sich ändern. »Unser Ziel ist es, eine größere Unabhängigkeit der heimischen Industrie von amerikanischen und asiatischen Zulieferern und den dadurch existierenden Exportbeschränkungen herzustellen«, sagt Klaus Beilenhoff, Teamleiter im Bereich Customer and R&D Interface der Ulmer UMS. Nur ein starker europäischer Standort, so Beilenhoff, könne verhindern, dass Europa den Anschluss in diesen Märkten verliert.

Die Nase vorn zu haben, ist selbst in dem überschaubaren Markt der Mikrowellen-Leistungsverstärker, Mischer, Oszillatoren und anderer analoger Signalverarbeitungskomponenten kein einfaches Unterfangen. UMS fertigt seit der Gründung im Jahr 1996 erfolgreich elektronische Komponenten aus dem Materialsystem Galliumarsenid (GaAs) für Verteidigungssysteme, Kommunikationsanlagen und Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt. Der Fokus des Unternehmens liegt auf High-Performance-Komponenten, die bei hohen Signalfrequenzen, hohen elektrischen Leistungen sowie extremen Umgebungsbedingungen arbeiten können. Inzwischen bieten die Ulmer für fast jede Mikrowellenanwendung einen optimierten Halbleiterprozess an. Und das Einsatzspektrum für hocheffiziente Komponenten wächst von Jahr zu Jahr. So haben zum Beispiel Berechnungen ergeben, dass zukünftige Galliumnitrid-basierte Endstufen den Stromverbrauch einer Mobilfunk-Basisstation um 75 Prozent gegenüber der bisher eingesetzten Elektronik senken.

Der Schritt aus dem Nischendasein auf die Bühne der großen Herstellernamen ist kein Wunschdenken, sondern von längerer Hand vorbereitet. Vor knapp 15 Jahren bündelten die damalige Daimler Benz Aerospace, Temic (heute EADS Deutschland) und die französische Thomson-CSF (heute Thales) ihre Elektronikaktivitäten rund um die chemischen Materialgruppen III und V. Kombinationen aus diesen beiden Stoffklassen ergeben sehr effiziente Verbindungshalbleiter, aus denen sich Hochleistungs-Transistoren und andere Bauelemente mit Signalfrequenzen im Gigahertzbereich herstellen lassen. Um schneller Antworten auf die forschungsintensiven Fragen nach den passenden Design- und Herstellungsverfahren sowie der richtigen Prozesstechnik zu erhalten, suchten UMS-Entwickler schon frühzeitig die Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern des IAF.

Abgestimmte Prozess-Schritte, keine Zeit- und Reibungsverluste

Aus dem lockeren Erfahrungsaustausch über grundlegende physikalische Eigenschaften der Materialien und dem präzisen Aufbau von Schichtstrukturen entstanden gemeinsame Arbeitsgruppen, die gezielt nach praktikablen Lösungswegen für die industrielle Fertigung von GaN-Bauelementen forschen. Die effiziente Zusammenarbeit erregte auch bei dem niederländischen Halbleiterhersteller NXP Semiconductors (ehemals Philips) starkes Interesse. Alle drei Partner bündelten im Jahre 2006 ihre Kompetenzen, um hocheffiziente Leistungsverstärker für Mobilfunkstationen unter europäischer Regie herzustellen. »Die Zusammenarbeit in den vergangenen Jahren wurde in einer Weise intensiviert, die einzigartig ist«, schwärmt UMS-Manager Beilenhoff. Bei vielen Verfahrensfragen sowie dem Aufbau von Modulen und Systemen samt Messtechnik für das Testen von Komponenten und deren Optimierung sitzen NXP-, UMS-Mitarbeiter und IAF-Wissenschaft- ler gemeinsam an einem Tisch. Zwei UMS-Spe- zialisten haben sogar ihren Arbeitsplatz nach Freiburg verlegt, um projektbezogen im IAF- Labor mitzuarbeiten. Viele Prozess-Schritte an den beiden Standorten sind aufeinander abgestimmt, so dass keine Zeit- und Reibungsverluste bereits in den frühen Stadien der Entwicklung entstehen.

Diese Vorgehensweise zahlt sich aus. Das IAF-Team benutzt weitestgehend die gleichen Herstellungs- und Analyseverfahren wie die Produktionstechniker in der Ulmer UMS-Fabrik. Beide Seiten tauschen Materialien während des Herstellungsprozesses aus und können somit kurzfristig vergleichende Untersuchungen anstellen. »Wir haben dadurch Probleme schneller erkannt und verschiedene Lösungswege wesentlich effizienter untersucht«, sagt Beilenhoff. Für die Zukunft sind damit die Weichen gestellt: »Diese erfolgreiche Kooperation wird in Kürze zu einer Ausweitung der Aktivitäten führen.«


United Monolithic ­Semiconductors GmbH
Wilhelm-Runge-Straße 11
89081 Ulm
Telefon +49 731 505 3080
Telefax +49 731 505 3005
www.ums-gaas.com

Gründung: 1996
Mitarbeiter: 250*
Umsatz: 47 Millionen Euro (2009)*

Europäischer Hersteller von hochfrequenten analogen Schaltungen, elektrischen Verstärkern, energieeffizienten Leistungswandlern, Mischer und Oszillatoren.

* zusammen mit dem Partnerunternehmen United
Monolithic Semiconductors S.A.S., Orsay, Frankreich.