Sie sind der Shootingstar unter den Zukunftstechnologien: Quantensysteme. Vor allem große Hightech-Unternehmen und institutionelle Investoren haben weltweit ein regelrechtes Wettrennen in Gang gesetzt, um Phänomene der Quantenmechanik aus den Forschungslaboren in die breitere praktische Anwendung zu bringen. Insbesondere in der Informationsverarbeitung, Sensorik und Kommunikation zeichnen sich schon heute Umwälzungen ab, die ganze Wirtschaftszweige und Gesellschaften nachhaltig verändern werden.

Technologisch betrachtet lassen sich Quantensysteme am ehesten als eine Kombination von Quantenphysik, Photonik und Elektronik beschreiben. Das populärste Beispiel hierfür ist sicherlich der Quantencomputer. Heutige Quantensysteme erinnern noch sehr an komplizierte optoelektronische Laboraufbauten und für die Erzeugung, Manipulation und Verarbeitung von Quantenzuständen wird ein immenser technischer Aufwand betrieben. Neben der Komplexität und der schieren Größe ist auch die hierbei notwendige Kühlung ein limitierender Faktor, da viele der aktuell verfügbaren Lösungen erst bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt funktionieren.

Die Integration von Quantentechnologien in marktfähige Produkte und Dienstleistungen verlangt deshalb noch erhebliche Anstrengungen bei der Erforschung und Entwicklung essenzieller Basistechnologien. Ebenso fehlt für eine wirtschaftliche Realisierung praxistauglicher Quantensysteme eine einheitliche und zukunftssichere Materialplattform, welche fundamentale Fortschritte bei Miniaturisierung, Leistungssteigerung und Kostenreduktion zulassen würde.

Robust, anschlussfähig, quantentauglich: Siliziumkarbid als Quanten-Schlüsselmaterial

Aufgrund seiner besonderen physikalischen Eigenschaften bietet sich das Halbleitermaterial Siliziumkarbid (SiC) als vielversprechende Technologieplattform für Festkörper-Quantensysteme an. SiC ist ein Halbleiter mit großer Bandlücke (englisch Wide-Bandgap, kurz WBG) und hat sich in den vergangenen Jahren vor allem im Bereich der Leistungselektronik etabliert. SiC ist auch sehr attraktiv für die Entwicklung photonischer Mikrosysteme bzw. phototonisch intergrierter Schaltungen (englisch Photonic Integrated Circuits, kurz PICs), da sich in diesem Material sowohl optische Bauelemente als auch Lichtquellen und Sensoren herstellen lassen. Zusätzlich ist SiC interessant für nichtlineare optische Effekte, mit denen die Farbe von Laserlicht geändert werden kann, zum Beispiel um Infrarotlicht sehr effizient in sichtbares Licht umzuwandeln. Mit der Möglichkeit der Integration von Punktdefekten in Form sogenannter Farbzentren, die bis zur Raumtemperatur funktionieren, erlaubt SiC perspektivisch sogar die direkte Integration von Quantenfunktionalität. „Damit ist Siliziumkarbid ein Allroundtalent für Photonik, Elektronik und Quantenanwendungen, erklärt Dr. Pascal Del’Haye, der den Projektteil am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts leitet.

In SiC wären also alle für den Aufbau leistungsfähiger miniaturisierter Quantensysteme benötigten Elemente abbildbar. Es ist sowohl anschlussfähig an die Mikroelektronik als auch Mikrophotonik und bietet darüber hinaus vollkommen neue quantenelektronische Funktionen. Da SiC kompatibel mit den gut beherrschbaren CMOS-Prozessen der klassischen Siliziumtechnologie ist, würde es sich exzellent für die industrielle Massenproduktion von Quanten-PICs eignen.

Die Optimierung erster mikrophotonischer Bauelemente ebnet den Weg zum SiC-Quantenchip

Bis zum optoelektronischen Quantenchip ist es ein langer Weg und die Forschung steckt hier noch mehr oder weniger in den Kinderschuhen. Für den Aufbau von PICs braucht man zunächst standardisierte mikrophotonische Bauelemente mit geringsten optischen Verlusten. Essenziell sind hierbei Lichtwellenleiter und Ringresonatoren, die Licht in kleinsten Strukturen effizient leiten bzw. speichern können. Während Wellenleiter die Funktion verlustfreier optischer Leitungen übernehmen, bestehen Resonatoren aus winzigen Ringen, in denen das eingespeiste Licht bis zu eine Million Umläufe absolviert. Die damit erzielten Photonenspeicherzeiten erlauben es, diese Bauelemente mit hohen zirkulierenden optischen Leistungen aufzuladen, was eine Vielzahl nichtlinearer optischer Effekte ermöglicht. So können die Mikroresonatoren Laserlicht mit einer bestimmten Wellenlänge in einen optischen Frequenzkamm, also in eine Lichtquelle aus mehreren diskreten Frequenzen, umwandeln, was sich beispielsweise für eine sehr schnelle parallele Datenübertragung in Telekommunikationsnetzen nutzen lässt.

Ein weiterer nützlicher Effekt ist die Wechselwirkung von gegenläufigem Licht. Die nichtlineare optische Einkopplung von gegenläufigem Licht in Ringresonatoren führt zu einer spontanen Symmetrieunterbrechung, die die Lichtzirkulation nur noch in eine Richtung, also im oder gegen den Uhrzeigersinn, zulässt. Hiermit können zum Beispiel chipintegrierte optische Dioden, photonische Schalter oder optische Sensoren realisiert werden, die den Aufbau komplexerer photonischer Systeme ermöglichen.

Allerdings ist die Qualität der auf den SiC-Substraten hergestellten photonischen Bauelementen noch nicht optimal und die relativ hohe Oberflächenrauigkeit verursacht optische Verluste in den Waveguides und Resonatoren. Damit die Photonen sich schnell bewegen können und nicht nach außen tunneln, sind fehlerfreie Oberflächen Pflicht. Ein vielversprechender Lösungsansatz ist die Glättung der Bauelementoberflächen durch atomlagengenaues Ätzen (englisch Atomic Layer Etching, kurz ALE), sodass gut abgegrenzte Trennflächen entstehen und Verlust- und Streuzentren minimiert werden.

Brückenschlag zwischen Grundlagenforschung und Prozessentwicklung im Projekt ALP-4-SiC

Um einen neuartigen Fertigungsprozess für komplexe Photonikbauelemente auf Basis von Siliziumkarbid zu entwickeln, müssen Grundlagenforschung und anwendungsorientierte Forschung intensiv zusammenarbeiten. Im Projekt ALP-4-SiC – Atomlagenprozessierung für SiC für Anwendungen in der Photonik und Quantenkommunikation – bündeln das MPL in Erlangen und das Fraunhofer IISB mit seinem Standort Fraunhofer-Technologiezentrum Hochleistungsmaterialien THM in Freiberg ihr Knowhow. Das MPL besitzt weitreichende Erfahrungen im Design und bei der Charakterisierung photonischer Bauelemente, während das IISB seine Expertise im Bereich der SiC-Halbleitertechnologie und Atomlagenprozessierung einbringt.

Der neue Ansatz der Integration atomlagen-basierter Prozesse für photonische Bauelemente mit signifikant verbesserten optischen Eigenschaften besitzt ein hohes Potential für die zukünftige Kommerzialisierung integrierter photonischer Bauelemente. Mittelfristig könnten sich vor allem Hersteller von ALE-Prozessanlagen neue Kundenkreise erschließen und im Gegenzug Photonikanbieter mit innovativen Produk-ten in einem schnell wachsenden Markt positionieren. Die langfristigen Auswirkungen der Verfügbarkeit einer universellen, praxistauglichen, skalierbaren Technologieplattform für integrierte quantenoptoelektronische Schaltungen auf SiC-Basis lassen sich dagegen heute noch gar nicht absehen.

Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (MPL)

Das Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (MPL) deckt ein breites Forschungsspektrum ab, darunter nichtlineare Optik, Quantenoptik, Nanophotonik, photonische Kristallfasern, Optomechanik, Quantentechnologien, Biophysik und – in Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Zentrum für Physik und Medizin – Verbindungen zwischen Physik und Medizin. Das MPL wurde im Januar 2009 gegründet und ist eines der über 80 Institute der Max-Planck-Gesellschaft, die Grundlagenforschung in den Natur-, Bio-, Geistes- und Sozialwissenschaften im Dienste der Allgemeinheit betreiben.

Fraunhofer-Technologiezentrum Hochleistungsmaterialien THM

Das Fraunhofer-Technologiezentrum Hochleistungsmaterialien THM in Freiberg, Sachsen, ist eine Forschungs- und Transferplattform des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB und des Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme IKTS. Gemeinsam werden Halbleiter- und Energiematerialien in neue Anwendungen überführt und zugleich das stoffliche Recycling berücksichtigt und entwickelt. Schwerpunkte der Arbeiten am Fraunhofer THM sind die Analyse und Entwicklung von nachhaltigen Batteriesystemen mit verbesserter Ökobilanz und Rohstoffverfügbarkeit sowie die Erforschung und Evaluierung innovativer Halbleiterbauelemente und der dazugehörigen Prozessschritte.

Förderhinweis

Das Projekt ALP-4-SiC – Atomlagenprozessierung für SiC für Anwendungen in der Photonik und Quantenkommunikation – wird im Rahmen des Programms „Wissenschaftliche Vorprojekte (WiVoPro)" des Bundesministeriums für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) gefördert. Die vom BMFTR mit dieser Maßnahme finanzierten Projekte untersuchen wissenschaftliche Fragestellungen mit Blick auf künftige industrielle Anwendungen. Sie können von bis zu zwei Forschungseinrichtungen durchgeführt werden und sollen die Lücke zwischen Grundlagenforschung und industriegeführter Verbundförderung schließen.

Zum Ausbau einer nachhaltigen Stromversorgung bei zunehmender Elektrifizierung von Verkehr, Industrieprozessen und Gebäudeheizungen bedarf es effizienter Stromspeicher. Neben dem Speichern großer Energiemengen, beispielsweise für einen Tag-/Nacht- oder Jahreszeitenausgleich, ist eine Stabilisierung des Stromnetzes durch die hochdynamische Glättung von Lastspitzen unerlässlich. Sensible Bereiche in Industrie, Gewerbe und Infrastruktur profitieren insbesondere von unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV). Für derartige wartungsarme stationäre Anwendungen eignet sich die neue Aluminium-Ionen-Batterie aufgrund ihrer hervorragenden Zyklenfestigkeit und Leistungsdichte. Verglichen mit den derzeit kommerziell verfügbaren Batterietechnologien, z.B. auf Lithium- oder Bleibasis, ist die AIB eine zukunftsfähige Alternative: sie bietet klare Vorteile hinsichtlich der Kosten, Rohstoffverfügbarkeit und Umweltbilanz.

Von der Forschung zur Praxis und wieder zurück: Anforderungsgetriebene Materialentwicklung

Im 2025 erfolgreich beendeten Projekt INNOBATT wurden kleinformatige AIB-Zellen im Pouchzellformat gefertigt und in einen Systemdemonstrator integriert. Dieser wichtige Schritt des Demonstratorbetriebs ermöglicht Rückschlüsse auf die tatsächliche Performance der neuen Zelltechnologie, denn erst die Skalierung auf Batteriemodule legt Verbesserungspotenziale für die Pouchzellen auf Materialebene offen. Daraus ergibt sich das Gesamtziel des Folgeprojekts SALSA: Die Entwicklung neuer skalierbarer Materialien für wiederaufladbare AIB mit Fokus auf Verbesserung der Leistungsdichte, Energieeffizienz und Zyklenfestigkeit. Der Einsatz von operando-Analytik sorgt hierbei für das nötige Grundlagenverständnis der Mechanismen. Anhand genormter Batterieprüfverfahren sollen insbesondere die spezifischen Einsatzmöglichkeiten der AIB für eine USV praxisnah erprobt werden. Auch aus diesen Tests ergibt sich eine Feedbackschleife aus der Anwendung direkt zurück zur Materialentwicklung.

Das Projekt SALSA kann direkt auf die Erkenntnisse aus Vorgängerprojekten wie INNOBATT aufbauen. So sind bereits zum Projektauftakt AIB-Zellen bzw. Module mit Standarlebensdauer verfügbar. Diese Module werden unter anwendungsnahen Belastungs- und Umgebungsbedingungen getestet. Im Projektverlauf kommen mindestens drei unterschiedliche Entwicklungsstufen der Module auf den Prüfstand, um die Aktiv- und Passivmaterialien fortlaufend in einem iterativen Prozess zu verbessern. Das ermöglicht die Weiterentwicklung der Aktiv- und Passivmaterialien parallel zur Validierung. Die Zusammensetzung des Konsortiums mit Kompetenzen aus den Bereichen Materialentwicklung und Oberflächenmodifikation, Testzellentwicklung sowie Batterieherstellung und Evaluation erlaubt sowohl die Weiterentwicklung der AIB-Zellchemie durch wissensbasierte Materialforschung als auch die Validierung dieser Technologie in konkreten anwendungsnahen Prüfverfahren.

SALSA-Projektkonsortium und Förderhinweis

Das Projektkonsortium SALSA umfasst vier Industriepartner: HOPPECKE Batterien GmbH & Co. KG als Konsortialführer, EL-CELL GmbH, IoLiTec Ionic Liquids Technologies GmbH und SKW Stickstoffwerke Piesteritz GmbH. Auf akademisch-wissenschaftlicher Seite beteiligen sich die TU Bergakademie Freiberg (Institut für Anorganische Chemie), die TU Clausthal (Forschungszentrum Energiespeichertechnologien) sowie die Fraunhofer-Gesellschaft mit den Instituten Fraunhofer IISB / Fraunhofer THM und Fraunhofer IAP. SALSA wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) im Rahmen des Bereichs Stromnetze und Stromspeicher gefördert und läuft von 01.08.2025 – 31.07.2028.

Ein bedeutender Meilenstein für den Forschungsstandort Bamberg und die Metropolregion Nürnberg: Staatsminister Hubert Aiwanger gab den feierlichen Startschuss für das E|Road-Center des Fraunhofer IISB. Er überreichte dem Institutsleiter Prof. Jörg Schulze den Förderbescheid vor Ort im Cleantech Innovation Park in Hallstadt. Hier entsteht die neue Außenstelle des Fraunhofer IISB zur Entwicklung und Industrialisierung innovativer Technologien für nachhaltige Mobilität. „Kontaktloses Laden von E-Fahrzeugen eröffnet völlig neue Möglichkeiten. Der Aufladevorgang kann ohne Zeitverlust während der Fahrt erfolgen. Damit werden Elektrofahrzeuge flexibler, praxistauglicher und wirtschaftlicher. Wir unterstützen dieses zukunftsweisende Projekt mit rund 7,5 Millionen Euro. Damit setzen wir gezielt Impulse für die Transformation unserer Automobilwirtschaft und stärken den Innovationsstandort Bayern nachhaltig“, so Aiwanger.

Kontaktlos mit Energie versorgt: Verkehr, Transport und Industrielogistik ohne Ladekabel und Wartezeit

Mit dem E|Road-Center wird ein einzigartiges Forschungs- und Entwicklungszentrum für die Elektrifizierung der Straßenverkehrsinfrastruktur etabliert. Im Fokus stehen Technologien für die kontaktlose Energieübertragung von der Straße direkt ins Elektrofahrzeug, im Stand und während der Fahrt. Und nicht nur auf der Straße, der E|Road-Ansatz eignet sich auch hervorragend für lokale Umgebungen wie Hafenanlagen und Logistikzentren. Hier sind, künftig vermehrt autonom, Containertransporter oder andere Frachtfahrzeuge auf festen Strecken unterwegs, dann mit optimiertem Nutzungsprofil und wirtschaftlichem Vorteil ohne lange Standzeiten zum Laden. Neben der Entwicklung kontaktloser Energieübertragungssysteme ist das E|Road-Center ebenso ein Innovationslabor für automatisierungsgerechte Produktionsprozesse. Die Hallenflächen des Cleantech Innovation Park im ehemaligen Michelin-Werk bieten ideale Bedingungen für den Aufbau von modularen Produktionsanlagen, Prüfsystemen und Testumgebungen. Damit existieren perfekte Voraussetzungen für die Erprobung und Weiterentwicklung neuer Technologien.

Transformation meistern: Elektromobilität trifft Produktionstechnik

Die enge Zusammenarbeit zwischen dem Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB mit Hauptstandort in Erlangen und dem Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS) der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) bildet dabei die Grundlage für wegweisende Technologieentwicklung.

Seit 25 Jahren setzt das Fraunhofer IISB Maßstäbe bei der Entwicklung hocheffizienter leistungs-elektronischer Systeme für elektrische Antriebe und vom Lehrstuhl FAPS kommt umfassendes Know-how zur Produktionstechnik. „Mit der Eröffnung des Technologiezentrums setzen wir einen entscheidenden Impuls für die Zukunft der Elektromobilität und der Transformation der Automobilindustrie. Durch Initiativen wie das E|Road-Center stärken wir den Innovationsstandort Bayern“, betont Prof. Florian Risch, Abteilungsleiter für das E|Road-Center am Fraunhofer IISB, „und die einzigartige Kombination unserer Kompetenzen in Halbleitertechnologie, Leistungselektronik und Produktionstechnik ermöglicht uns einen echten Technologievorsprung.“ Die erste Phase des E|Road-Center läuft bis November 2027. Nach erfolgreichem Abschluss soll das Zentrum verstetigt werden, um die kontinuierliche Weiterentwicklung klimafreundlicher Mobilitätslösungen voranzutreiben. Das Bayerische Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie unterstützt dieses Leuchtturmprojekt zur nachhaltigen Transformation der Automobilbranche.

Die Halbleitertechnologie auf der Schwelle zur Post-Silizium-Ära

Leistungselektronik auf Basis des Wide-Bandgap-Halbleiters Siliziumkarbid (SiC) ist ein wesentlicher Türöffner für energieeffiziente, nachhaltige und hoch performante Anwendungen in der Elektromobilität – vom Automobil über Nutzfahrzeuge bis hin zu Bahn, Schiff und Flugzeug, bei Erzeugung, Transport und Speicherung erneuerbarer Energien, sowie für IT- und industrielle Infrastrukturen. Sie ist damit ein wichtiger Baustein und wettbewerbsrelevanter Faktor für die aktuellen globalen Transformationsprozesse in den Bereichen Mobilität, Energie und Digitalisierung. Dem Markt für SiC-Leistungsbauelemente werden jährliche Wachstumsraten von über 30 Prozent attestiert. Gegenüber der herkömmlichen Siliziumtechnologie lässt sich durch den Einsatz von SiC-Leistungselektronik in einem typischen Antriebsumrichter über eine Größenordnung mehr an Energie einsparen als für die Herstellung der SiC-Leistungselektronik selbst benötigt wird.

Während die technologischen Vorteile von SiC aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften auf der Hand liegen, sind die höheren Kosten im Vergleich zum etablierten Silizium weiterhin ein Hemmnis für eine noch schnellere Marktdurchdringung. Die Chip-Kosten sind um mehr als den Faktor 3 größer als bei Silizium. Hierbei stellt der SiC-Ausgangswafer den größten Kostentreiber dar. Im Fall eines auf SiC basierenden Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors (MOSFET) beträgt dieser mehr als 40 Prozent der Herstellungskosten. Hinzu kommt, dass aufgrund der ungünstigen mechanischen Materialeigenschaften und großen Dicke des einkristallinen SiC-Wafers daraus verarbeitete Elektroniken nur ca. 30 Prozent der thermomechanischen Lebensdauer im Vergleich zu Silizium erreichen. Dieser Nachteil führt zu einer um ca. 25 Prozent vergrößerten Chipfläche und etwa bei einem Umrichter zu rund 25 Prozent höheren Kosten in der Anwendung. 

Kostengünstige SiC-Substrate ohne Sägen und Schleifen

Im dreijährigen Projekt ThinSiCPower (2024-2027), gefördert aus dem Fraunhofer internen »PREPARE«-Programm, entwickeln Forschende einen alternativen Weg zur Herstellung von kostengünstigen SiC-Substraten und deutlich dünneren SiC-Chips mit ressourcenschonenderen Prozessierungstechnologien. Dabei werden die teuren und qualitativ hochwertigen SiC-Wafer nicht wie üblich mit Materialverlust erst gesägt und später in der Bauelementprozessierung wieder dünngeschliffen, sondern der SiC-Kristall wird über ein spezielles Laserverfahren ohne große Materialeinbußen direkt in dünnere Wafer separiert, die auf ein preiswertes Trägersubstrat auf Basis von polykristallinem SiC gebondet werden. Damit lassen sich deutlich mehr Wafer aus einem Kristall fertigen. Weiterhin bietet das sogenannte Poly-SiC im Vergleich zum einkristallinen Substratisotrop deutlich vorteilhaftere mechanische Materialeigenschaften, was der thermomechanischen Lastwechselfestigkeit positiv entgegenkommt. Der in Summe deutlich dünnere Aufbau sorgt zudem für eine bessere Wärmeabfuhr.

Mit ThinSiCPower zur vollständigen SiC-Prozesslinie, made in Germany

Die Institute Fraunhofer ISE, ENAS und IWM sowie das Fraunhofer IISB als Projektkoordinator bündeln in ThinSiCPower ihre jeweiligen Kompetenzen. Für die Herstellung der Poly-SiC-Trägersubstrate wird eine vom Fraunhofer IISB entwickelte SiC-Beschichtungstechnologie adaptiert, die gegenüber der bislang üblichen Herstellungsvariante per chemischer Gasphasenabscheidung kosten- und ressourcenschonender ist. Das verlustarme Vereinzeln der dünnen SiC-Wafer erfolgt mittels eines Lasers zur definierten mechanischen Vorschädigung (Fraunhofer ISE) und anschließender Vereinzelung unter gut definierten mechanischen Bedingungen zur kontrollierten Rissausbreitung (Fraunhofer IWM). Die Entwicklung des Waferbond-Prozesses für das Poly-SiC-Substrat mit dem gesplitteten SiC einschließlich der notwendigen Oberflächenpräparation vor und nach dem Bond-Prozess erfolgt am Fraunhofer ENAS, während die anschließende Bauelementprozessierung sowie Qualifizierung wieder am Fraunhofer IISB stattfindet. Für eine möglichst hohe Marktakzeptanz dieser neuartigen Klasse von kostengünstigen SiC-Substraten werden von den Partnern zudem angepasste elektrische Testmethoden auf Dünnwaferlevel sowie »Physics-of-failure«-Simulationsmodelle erarbeitet. Damit soll eine breite Anwendbarkeit in den relevanten Branchen erzielt werden können.

Über die Technologieentwicklung zur Herstellung von kostengünstigen dünnen SiC-Wafern und Poly-SiC-Trägersubstraten wird eine Reduktion der SiC-Bauteilkosten um 25 Prozent angestrebt. Außerdem soll eine Verringerung der SiC-Auslegungskosten um weitere 25 Prozent durch Steigerung der Lastwechselfestigkeit um 300 Prozent erfolgen. Zielmärkte sind Halbleiter- und Leistungsmodulhersteller sowie deren Prozess- und Anlagenlieferanten bis hin zum Testequipmentzulieferer. Die beteiligten Partnerinstitute bündeln mit dem Vorhaben zudem ihre Kompetenzen zum Aufbau einer kompletten, hochinnovativen und zukunftsfähigen SiC-Prozessierungslinie innerhalb der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD). Beratende Unterstüt-zung erhält das Konsortium hierbei direkt von Partnern aus der Industrie.

Das Projekt ThinSiCPower beschleunigt durch die angestrebte Kostenreduktion und konzeptionellen Vorteile nicht nur die Marktdurchdringung von Siliziumkarbid, sondern dient auch der Sicherung einer innovativen, resilienten und industrierelevanten SiC-Technologiewertschöpfungskette in Deutschland und Europa.

Alaun-Kristalle des Theodor-Fliedner-Gymnasiums Düsseldorf überzeugten erneut

Schülerinnen und Schülern den Einfluss technischer Kristalle auf unser tägliches Leben bewusst machen und für die Ingenieurs- und Naturwissenschaften begeistern: Dafür haben das Fraunhofer IISB, die Deutsche Gesellschaft für Kristallwachstum und Kristallzüchtung (DGKK), das Leistungszentrum Elektroniksysteme (LZE) und die Bavarian Chips Alliance im Juli 2023 zum dritten Mal zur Teilnahme am Schulwettbewerb »Wer züchtet den schönsten Kristall?« aufgerufen. Daraufhin meldeten sich 280 Gruppen aus den Jahrgangsstufen 5 bis 13 mit insgesamt 2500 Kindern von 150 Schulen aus ganz Deutschland. Die Teams beteiligten sich zusammen mit jeweils einer betreuenden Lehrkraft am Wettbewerb und nutzten die zweite Jahreshälfte, um fleißig zu experimentieren. Mit viel Stolz haben die Schülerinnen und Schüler schließlich ihre schönsten Kristalle ins Rennen geschickt und zur Beurteilung eingesandt. Eine Fachjury unter Vorsitz von Dr. Jochen Friedrich, Leiter der Abteilung Materialien am Fraunhofer IISB, wählte aus den 300 zugeschickten Exemplaren die Gewinnerkristalle aus. Die wichtigsten Kriterien für die Bewertung sind die optische Klarheit, eine regelmäßige Form und glatte Oberflächen. Besonders groß müssen die Kristalle dafür nicht sein.

Das Theodor-Fliedner-Gymnasium Düsseldorf glänzte mit besonders glatten und transparenten Alaun-Kristallen und konnte erfolgreich seinen ersten Platz aus 2019 verteidigen. Ebenfalls mit tollen Alaun-Kristallen holte sich die Staatliche Realschule Dettelbach den zweiten Platz. Den dritten Platz teilen sich gleich drei Schulen: die Oberschule Wiefelstede, das Louise-Schröder-Gymnasium München und das Albert-Schweitzer-Gymnasium Erfurt. Den Sonderpreis für den größten Kristall sicherte sich das Max-Planck-Gymnasium München mit einem blauen Kristall aus Kupfersulfat. Für die feierliche Preisverleihung reisten die Schülerinnen und Schüler am 07. März 2024 zur Deutschen Kristallzüchtungstagung DKT in Erlangen. Als Trophäe überreichte Dr. Jochen Friedrich den sechs Gewinnergruppen jeweils einen individuell prozessierten Silizium-Wafer mit dem Namen ihrer Schule. Zusätzlich gab es Geldprämien und eine Einladung zum offiziellen Konferenzdinner mit allen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Fachtagung.

Was ist eigentlich ein »schöner« Kristall?

Wer an »schöne« Kristalle denkt, dem kommen vielleicht Diamanten, Rubine oder Smaragde in den Sinn. Sie zeichnen sich durch eine glatte Oberfläche und ein transparentes Inneres aus, reflektieren also Licht und sind durchsichtig. Diese Eigenschaften haben auch für Kristalle in Forschung und Industrie große Bedeutung, allerdings aus einem anderen Grund. Bei den sogenannten Halbleiter-Kristallen, wie beispielsweise Silizium, Siliziumkarbid oder Galliumarsenid, sind ebenmäßige Oberflächen und eine makellose atomare Struktur ausschlaggebend dafür, ob sich die Kristalle für den Einsatz in der Mikroelektronik eignen.

Insbesondere für die Halbleiter-Kristalle ist die innere dreidimensionale Symmetrie, also die perfekte und regelmäßige Anordnung aller Kristallatome, das entscheidende Merkmal. Erst dieser Aufbau ermöglicht die störungsfreie Ausbreitung von elektrischen Strömen bzw. Signalen, Licht oder Schall. Das macht Halbleiter-Kristalle zur Grundlage für viele technische Anwendungsgebiete, zum Beispiel die Elektronik, Optik oder Akustik. Zur Herstellung elektronischer Bauelemente schneidet man die Kristalle in dünne Scheiben, die im Fachjargon als »Wafer« bezeichnet werden. Diese Wafer dienen als Träger elektronischer Strukturen und werden zu Mikrochips weiterverarbeitet. So sind Kristalle heutzutage in fast jedem technischen Gerät zu finden und aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Forschungseinrichtungen wie das Fraunhofer IISB in Erlangen gehen darum unter anderem der Frage nach, wie Kristallzüchtungsprozesse optimiert werden können, um möglichst ideale Kristalle zu erhalten.

Zu gut, um wahr zu sein?

Es wäre ein technologischer Durchbruch: Preiswerte, leistungsfähige, wiederaufladbare Batterien, ohne kritische Rohstoffe oder brennbare Materialien, einfach in der Herstellung, sicher im Betrieb und nach jahrelanger Nutzung problemlos recycelbar.

Eine neue Technologie mit dem etwas sperrigen Namen »Aluminium-Graphit-Dual-Ionen-Batterie«, kurz AGDIB, könnte das tatsächlich ermöglichen. In den Laboren des Fraunhofer THM in Freiberg existieren bereits Prototypen, die in umfangreichen Testreihen das Potential der Zellchemie aufgezeigt haben. Mit ihrer hohen Leistungsdichte würde sich die AGDIB besonders für hochdynamische Lastanforderungen eignen, in denen bislang die kostenintensive Lithium-Titan-Oxid-Technologie (LTO) der State of the Art ist.

Entscheidend für derartige Anwendungen ist eine möglichst hohe Laderate. Je höher die Laderate, desto schneller lassen sich die Zellen laden und entladen. Versuche mit flexiblen AGDIB-Pouchzellen zeigten, dass ein langzeitstabiler Betrieb bei sehr hohen Raten von über 30 C möglich ist, ein sehr guter Wert für dieses Zellformat. Und auch die anderen elektrischen Parameter sowie die Zyklenfestigkeit können mit der Performance der teuren LTO-Batterien mithalten. Im Unterschied zur LTO-Technologie kommt die AGDIB aber mit nicht-toxischen, günstigen und gut verfügbaren Materialien aus.

Raus aus dem Labor!

Die Bauart der Labormuster eignet sich allerdings noch nicht für die Serienfertigung, und bis zu einem Transfer in die Massenproduktion stellen sich vollkommen neue Entwicklungsaufgaben. Das betrifft sowohl die Herstellung der eingesetzten Materialien und der einzelnen Zellkomponenten als auch das Design und die Fertigung der ganzen AGDIB-Zelle.

Motiviert durch die vielversprechenden Testergebnisse hat sich jetzt ein Konsortium aus Forschungseinrichtungen und spezialisierten Industrieunternehmen zusammengefunden, das die nächsten entscheidenden Schritte in Richtung Marktreife gehen will. Unter dem Dach des BMBF-Verbundprojektes »BALU – Fertigungstechnologie für Batteriezellkonzepte auf Basis der Aluminium-Ionen-Technologie« bringen Partner aus unterschiedlichen Fachbereichen ihr Knowhow ein und treiben gemeinsam die Entwicklung der AGDIB voran.

Wie der Name des Projektes andeutet, wird das ehrgeizige Ziel verfolgt, die Herstellung der AGDIB-Zellen vom Labormaßstab auf industriekompatible Produktionsbedingungen zu übertragen. Dabei rücken wirtschaftliche Rolle-zu-Rolle-Verfahren in den Vordergrund, um in größerer Stückzahl mehrlagige Pouchzellen zu fertigen.

Sobald die AGDIB-Pouchzellen in ausreichender Menge verfügbar sind, können die Projektpartner komplette Batteriemodule aufbauen, das Betriebsverhalten der Zellen spezifieren und die Parameter für die Systemauslegung definieren. Die AGDIB-Hochleistungmodule werden dann in industrielle Batteriesysteme integriert und müssen im praktischen Betrieb ihre Qualität unter Beweis stellen. Hier stehen konkrete Anwendungen im Fokus, wie etwa elektrische Powerbooster für Großgeräte oder stationäre Speicher zur Stromnetzstabilisierung.

Batterien weiterdenken

Bei der Weiterentwicklung der AGDIB spielen nicht nur die elektrische Leistungsfähigkeit und die Fertigungstechnik eine Rolle, sondern auch ökonomische und ökologische Überlegungen. Der weltweite Bedarf an elektrischen Energiespeichern steigt stetig und die fortschreitende Elektrifizierung benötigt immer mehr Ressourcen. Mit dem zunehmenden Einsatz von Batterien gewinnen Fragen zu den eingesetzten Materialien, zur umweltverträglichen Herstellung und Betriebssicherheit sowie zur späteren Wiederverwertung an Stellenwert.

All dies ist schon in einem möglichst frühen Stadium der Technologieentwicklung zu berücksichten. Das BALU-Konsortium bringt dafür breites Fachwissen auf den Gebieten der Materialforschung, Fertigungstechnologie, Batteriesystemtechnik und Ökobilanzierung zusammen. Neben Möglichkeiten zur Substitution kritischer Rohstoffe untersuchen die Projektpartner alle Schritte vom Zell- und Moduldesign bis zur Systemintegration hinsichtlich ihrer recyclinggerechten Auslegung und betrachten den gesamten Produktlebenszyklus aus ganzheitlicher Perspektive.

Besonders im Hinblick auf die kostenintensiven LTO-Batteriezellen lohnt sich die Suche nach alternativen Materialsystemen. Für hochdynamische Anwendungen kommt es nicht primär auf den Energieinhalt einer Batterie an, sondern auf die möglichst schnelle Bereitstellung der elektrischen Leistung. Hier besitzt die Aluminium-Graphit-Dual-Ionen-Batterie ein großes Potential. Dabei werden wirtschaftliche Vorteile und Umweltaspekte vereint.

Über die Konsortialpartner

Fraunhofer IISB

Das Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB in Erlangen ist spezialisiert auf Wide-Bandgap-Halbleiter und effiziente Leistungselektronik. An seiner Außenstelle in Freiberg, dem Fraunhofer-Technologiezentrum Hochleistungsmaterialien THM, arbeitet das Fraunhofer IISB gemeinsam mit dem Fraunhofer IKTS an nachhaltigen Batteriesystemen mit verbesserter Ökobilanz und Rohstoffverfügbarkeit. Im Projekt BALU ist das Fraunhofer IISB der Projektkoordinator und evaluiert die aktiven und passiven Komponenten für die AGDIB-Zellen einschließlich der Zellgehäuse. Dazu kommen die Entwicklung und Charakterisierung kostengünstiger, langzeitstabiler AGDIB-Zellkonzepte und von Funktionsdemonstratoren für AGDIB-Pouchzellen.

Fraunhofer IKTS

Das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS in Dresden betreibt anwendungsorientierte Forschung für Hochleistungskeramik vom Werkstoff über die Herstellungsverfahren bis zum Pilotsystem. Ergänzt wird das Portfolio um die Werkstoffdiagnose und -prüfung. Im Projekt BALU entwickelt das Fraunhofer IKTS recyclingfreundliche Zellkonzepte für die AGDIB-Technologie unter Einsatz industrierelevanter Fertigungstechnologien. Ebenso realisiert das IKTS die Demonstratorzellen für den „proof of concept“ verschiedener AGDIB-Zelldesigns.

Fraunhofer IST

Das Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST in Braunschweig erschließt Technologien im Bereich der Modifizierung, Strukturierung und Beschichtung von Oberflächen für zukunftsfähige Produkte und dazugehörige skalierbare Produktionssysteme. Dies erfolgt auch unter der Maßgabe geschlossener Material- und Stoffkreisläufe. Im Projekt BALU übernimmt das Fraunhofer IST die Entwicklung eines kostengünstigen korrosionsstabilen Stromsammlermaterials für die AGDIB-Zellchemie sowie einer Technologie für den langzeitstabilen und luftdichten Verschluss von AGDIB-Pouchzellen.

Universität Bayreuth / SysEE und LEEE

Der Lehrstuhl für Systemtechnik Elektrischer Energiespeicher (SysEE) der Universität Bayreuth erforscht das Zusammenspiel von Zelle, mechanischem Aufbau, Thermomanagement, Elektronik und Software. Mit seinem integrativen Charakter ist der SysEE der ideale Partner für den ebenfalls an der Universität Bayreuth ansässigen Lehrstuhl Elektronik Elektrischer Energiespeicher (LEEE). Der LEEE arbeitet an Lösungen für die elektronische Überwachung und Steuerung von elektrischen Energiespeichersystemen wie Batterien, Supercaps oder Brennstoffzellen. Im Projekt BALU untersuchen die beiden Lehrstühle das spezifische Verhalten der AGDIB-Pouchzellen im Einsatz sowie die spezifischen Anforderungen für den Systemaufbau. Dazu kommt die elektrische Charakterisierung verschiedener Topologien für AGDIB-Modulverschaltungen.

TU Braunschweig / IWF

Die Professur für Nachhaltige Produktion & Life Cycle Engineering des Instituts für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik (IWF) der TU Braunschweig analysiert und bewertet industrielle Produktions- und Recyclingprozessketten unter ökonomischen, ökologischen und simulativ-technologischen Aspekten. Im Projekt BALU übernimmt das IWF das Life-Cycle-Assessment (LCA), die Kostenabschätzung und die Umweltbilanzierung für die AGDIB-Pouchzellen-Technologie inklusive der eingesetzten Materialien und Fertigungsprozesse.

Sika Werke GmbH

Die Sika Werke GmbH in Leipzig versteht sich als Spezialist für die Herstellung von Verbundfolien im Trockenkaschierverfahren sowie im Bereich der Konfektionierung und Beschichtung von Metall- und Kunststofffolien. Im Projekt BALU entwickelt Sika Herstellungstechnologien für korrosionsfeste, recyclefähige Verbundfolien und für die Verkapselung von AGDIB-Pouchzellen.

Alzner Battery

Das mittelständige Unternehmen Alzner Automotive GmbH mit Sitz in Grafenau hat 2004 mit der Metallverarbeitung für die Automobilindustrie begonnen. Seit 2020 entwickelt und fertigt der neue Unternehmensbereich Alzner Battery in Itzehoe Hochleistungs-Batteriesysteme für stationäre, mobile und industrielle Anwendungen. Im Projekt BALU bewertet Alzner Battery die Leistungsfähigkeit der AGDIB in neu aufgebauten Demonstratormodulen und vergleicht diese mit der etablierten Lithium-Titan-Oxid-Batterietechnologie.

Kristalle – von außen schön, von innen besonders

Ob in Smartphones, Computern oder Elektroautos, überall verrichten Kristalle unauffällig ihr Werk. Während sie für gewöhnlich als Schmucksteine wie Diamanten oder Rubine zu sehen sind, spielen Kristalle in der Industrie in Form von Mikrochips eine bedeutende Rolle. Anders als die Kristalle in der Natur müssen ihre industriell hergestellten Gegenstücke ganz spezifische technische Anforderungen erfüllen. Das herausragende wissenschaftliche Merkmal ist die innere dreidimensionale Symmetrie, also die perfekte und regelmäßige Anordnung aller Kristallatome. Erst dieser Aufbau ermöglicht die störungsfreie Ausbreitung von elektrischen Strömen bzw. Signalen, Licht und Schall. Das macht Kristalle zur Grundlage für viele technische Anwendungsgebiete, zum Beispiel Elektronik, Optik oder Akustik. In der Mikroelektronik kommen spezielle Halbleiter-Kristalle zum Einsatz. Die wichtigsten Materialien sind hierbei Silizium, Siliziumkarbid oder Galliumarsenid. Die künstlich gefertigten Kristalle schneidet man in Scheiben, sogenannte Wafer. Die Wafer dienen dann als Träger elektronischer Strukturen und werden zu Mikrochips weiterverarbeitet. Auf diese Weise sind Kristalle heutzutage in fast jedem technischen Gerät zu finden.

Echte Kristalle im Klassenzimmer wachsen lassen

Der Zusammenhang zwischen funkelnden Kristallen einerseits und einem Smartphone andererseits ist für die meisten Menschen nicht auf Anhieb offensichtlich. Während ihrer Projektwoche nehmen 45 Schülerinnen und Schüler der Montessori Schule Herzogenaurach den Einfluss von Kristallen auf unser tägliches Leben genauer unter die Lupe. Die jungen Forscherinnen und Forscher erleben so selbst eine der spannenden Seiten naturwissenschaftlichen Arbeitens – aus didaktischer Perspektive ein wichtiger Aspekt, um Begeisterung für MINT-Fächer zu wecken. Die Montessori Schule bietet bereits für Grundschulkinder experimentelle Projekte an. Vor diesem Hintergrund passt die Kooperation zwischen der Schule und dem Fraunhofer IISB optimal in das pädagogische Konzept der naturwissenschaftlich-technischen Nachwuchsförderung.

Anhand von Kristallmaterialien und prozessierten Wafern ergründen die Schulkinder gemeinsam mit Dr. Christian Reimann, der die Gruppe »Silizium und Spezialmaterialien« am Fraunhofer IISB in Erlangen leitet, den Weg vom Kristall bis zum Mikrochip. Dann schlüpfen sie selbst in ihre Laborkittel, um mit fachkundiger Anleitung durch Michael Lang, Techniker am Fraunhofer IISB, eigene Kristalle wachsen zu lassen. Viele Züchtungsprozesse erfordern extreme Bedingungen – beispielweise werden Silizium-Kristalle aus einer 1400 °C heißen Silizium-Schmelze hergestellt. An der Montessori Schule Herzogenaurach züchten die Kinder in kleinen Forschungsteams Kristalle aus Alaun-Salz, ein sicheres und erprobtes Verfahren, um mit wenig Aufwand schöne Ergebnisse zu erzielen. Der Ausgangspunkt dafür ist eine gesättigte Kaliumaluminiumsulfat-Lösung, in welcher erste kleine Alaun-Kristalle wachsen, die als Impfkristalle dienen. Sie werden entnommen, an einem Faden befestigt und in ein größeres Gefäß mit einer neuen Alaun-Lösung gehängt. Während des Wachstumsprozesses braucht es dann Ruhe und Zeit. In ca. vier Wochen können die Schülerinnen und Schüler dann bis zu acht Zentimeter große Kristalle entnehmen. Das ist besonders spannend, denn während des Züchtungsprozesses experimentieren die Gruppen mit verschiedenen Einflussgrößen, die sich auf das Wachstum auswirken.

Montessori Schule Herzogenaurach

Begeistert I Gemeinsam I Stark – so lautet der Claim der Montessori Schule Herzogenaurach. Die 220 Schülerinnen und Schüler können dort nicht nur mit Begeisterung und möglichst selbsttätig neue Inhalte kennenlernen, sondern werden bei der Entwicklung ihrer individuellen Fähigkeiten gefördert, damit sie zu starken, verantwortungsbewussten Persönlichkeiten heranwachsen.
Die Schülerinnen und Schüler arbeiten in jahrgangsgemischten Klassen, in ihrem eigenen Tempo und fächerübergreifend, von der 1. bis zur 10. Jahrgangsstufe.
Neben Naturwissenschaften und Technik ist Spanisch als 2. Fremdsprache Teil des Angebots. Nach der 9. oder 10. Klasse gehen die Jugendlichen entweder in eine Ausbildung oder setzen ihren schulischen Weg bis zum Abitur an der Montessori Fachoberschule in Nürnberg fort.

Fraunhofer IISB

Das Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB zählt zu den führenden europäischen Forschungs-einrichtungen für Wide-Bandgap-Halbleiter und leistungselektronische Systeme. Dabei bedient es die vollständige Wertschöpfungskette der Leistungselektronik. Das Spektrum reicht von Grundmaterialien über Halbleiterbauelemente und Prozesstechnologien, leistungselektronische Module und Komponenten bis zu kompletten Elektronik- und Energiesystemen. Zentrale Anwendungsfelder sind Elektromobilität, Luft- und Raumfahrt sowie nachhaltige Energieversorgung. Mit seinen Lösungen setzt das Institut immer wieder Benchmarks in Energieeffizienz und Leistungsfähigkeit, auch für extreme Betriebsbedingungen. Die Integration intelligenter datenbasierter Funktionalitäten erschließt dabei kontinuierlich neue Anwendungsszenarien. Das IISB unterstützt weltweit Kunden und Partner, aktuelle Forschungsergebnisse in wettbewerbsfähige Produkte zu transferieren. Seine Aktivitäten organisiert das Institut in den zwei Geschäftsbereichen Halbleitertechnologie und Leistungselektronische Systeme. Am Hauptsitz in Erlangen und am Fraunhofer-Technologiezentrum Hochleistungsmaterialien THM in Freiberg sind insgesamt circa 300 Mitarbeitende tätig.

Als »Center of Expertise for X-ray Topography« betreiben Rigaku SE und das Fraunhofer IISB am Hauptstandort des IISB in Erlangen ein gemeinsames Joint Lab. Hier ist es den Forschenden gelungen, Röntgentopographie und Fehlererkennungssoftware miteinander zu verknüpfen, um die Qualitätskontrolle bei SiC-basierter Leistungselektronik bereits auf Substrat- und Kristallebene zu ermöglichen. Durch den Einsatz von Röntgentopographie können Defekte auf der kompletten Waferoberfläche zerstörungsfrei, schnell, hochauflösend und mit hoher Durchsatzrate charakterisiert werden. In der Industrie hingegen werden Wafer zur Charakterisierung aktuell häufig geätzt und entsorgt. Das neue Verfahren verspricht also nicht nur erhebliche Kosteneinsparungen, sondern auch eine Effizienzsteigerung bei der Herstellung von SiC-Leistungselektronik. Diese eignet sich hervorragend für verschiedenste Anwendungsgebiete, z. B. den Mobilitätssektor, und gewinnt durch die gesellschaftsweite Elektrifizierung weiter an Relevanz.

Der Erfolg dieser gemeinsamen Innovation zeigt sich auch darin, dass Rigaku in weniger als zwei Jahren erfolgreich einen neuen Geschäftsbereich erschließen konnte und nun weltweit der führende Anbieter von XRT-Tools im Bereich der Herstellung von SiC-Substraten und -Geräten ist. Auf Basis der in Deutschland entwickelten Technologie erfüllt diese Messmethode alle Voraussetzungen für eine gemeinsame, weltweite Standardsprache für Substrat- und Gerätehersteller zur Spezifikation und Kontrolle der Substratqualität in Produktion und Forschung.

Der innovative messtechnische Ansatz wurde maßgeblich von Dr. Michael Hippler, Geschäftsführer der Rigaku Europe SE, und Dr. Christian Kranert mit Dr. Christian Reimann, beide Gruppenleiter am Fraunhofer IISB, vorangetrieben. Die Wissenschaftler wurden für den Georg-Waeber-Innovationspreis 2023 des Förderkreises für die Mikroelektronik e.V. ausgewählt, den sie am 25. Oktober 2023 bei der Preisverleihung am IISB in Erlangen entgegennahmen. Der Preis wird jährlich für herausragende wissenschaftliche Leistungen verliehen. Bei der Beurteilung durch die Jury wird insbesondere der Erkenntnisfortschritt für die Mikrotechnologie berücksichtigt und Wert auf die praktische Verwertung durch die Wirtschaft gelegt.

SiC, das neue Silizium?

Getrieben durch die Energiewende und die Elektromobilität zeichnet sich aktuell eine rasant wachsende Nachfrage nach elektronischen Bauelementen für die besonders verlustarme Wandlung elektrischer Energie ab. Ein prominentes Thema in der Halbleitertechnologie sind deshalb die so genannten WBG- oder Wide-bandgap-Halbleiter, wie Siliziumkarbid, Galliumnitrid oder Aluminiumnitrid. Sie verkraften hohe Spannungen bei sehr niedrigen Durchlassverlusten und bieten damit beste Voraussetzungen für den Aufbau hocheffizienter leistungselektronischer Systeme. Unter den WBG-Halbleitermaterialien hat sich insbesondere Siliziumkarbid (SiC) durchgesetzt und es ist bereits eine breite Palette an kommerziellen Produkten verfügbar. In Einsatzbereichen, wo es auf höchste Leistungsdichten und höchste Wirkungsgrade bei der Leistungswandlung ankommt, verdrängen die SiC-Bauelemente mit ihren überlegenen elektrischen Eigenschaften schon die konventionelle Silizium-Leistungselektronik. Das ist beispielsweise bei den Bordnetzen und der Antriebselektronik von Elektrofahrzeugen oder bei der Anbindung von regenerativen Energiequellen an das öffentliche Stromnetz der Fall.

Klasse statt Masse

Die besonderen physikalischen Eigenschaften des WBG-Halbleiters Siliziumkarbid eröffnen weitere interessante Anwendungsmöglichkeiten, wie etwa in der Optoelektronik und in der Sensorik oder für die zukünftige Festkörper-Quantenelektronik. So hat das Berliner Hightech-Unternehmen sglux schon frühzeitig auf SiC-Sensorbauelemente gesetzt und sich mit SiC-Photodioden zur Messung von ultravioletter Strahlung (UV) erfolgreich am Markt etabliert. Diese Photodioden kommen überall dort zum Einsatz, wo Sicherheit allererste Priorität hat. Das ist beispielsweise in der Medizintechnik bei der Überwachung der Dialyse, in der Lebensmittelverarbeitung bei der Kontrolle von Entkeimungsprozessen oder in der Industrie bei der Steuerung von Verbrennungsprozessen der Fall. Die Kernkomponenten für die UV-Dioden, SiC-Chips mit SiC-Heterostrukturen, werden am Fraunhofer IISB in Erlangen nach den Spezifikationen von sglux auf der institutseigenen SiC-CMOS-Linie prozessiert.

SiC erobert den Weltraum

Eine der herausforderndsten Betriebsumgebungen für elektronische Bauelemente ist sicherlich der Weltraum. Hier müssen alle Komponenten unter extremen Bedingungen absolut zuverlässig funktionieren und selbst kleinste Fehler oder Ausfälle können die gesamte Mission gefährden. Vor diesem Hintergrund ist es für die sglux GmbH aus Berlin und ebenso für das Fraunhofer IISB ein großer Erfolg, dass mittlerweile sogar die NASA zum Kundenkreis der SiC-Pioniere gehört. Bei der aktuellen NASA-Mission MARS 2020 ist am 18. Februar 2021 mit dem Mars-Rover Perseverance auch eine SiC-UV-Photodiode von sglux auf dem roten Planeten gelandet und funktioniert seitdem zuverlässig.

Das außergewöhnliche Umfeld bietet die perfekte Gelegenheit, die Zuverlässigkeit der Produkte von sglux und die Qualität der in Kleinserie am IISB gefertigten SiC-Sensoren unter Beweis zu stellen. "Perseverance" – was auf Deutsch so viel wie Beharrlichkeit, Ausdauer oder Durchhaltevermögen bedeutet – ist der fortschrittlichste und aufwendigste Rover, den die NASA jemals zum Mars geschickt hat. Das rund zweieinhalb Milliarden Dollar teure Erkundungsfahrzeug sucht auf der Marsoberfläche nach Spuren früheren mikrobiellen Lebens und charakterisiert die Geologie und das Klima des Planeten, was u. a. der Vorbereitung einer zukünftigen bemannten Mars-Mission dient.

Leben auf dem Mars

Perseverance verfügt über eine Reihe von hochmodernen wissenschaftlichen Instrumenten, unter denen ein am Roboterarm des Rovers befestigtes Deep-UV-Raman-Spektrometer eine besondere Rolle übernimmt. Das auf den Namen SHERLOC (Scanning Habitable Environments with Raman & Luminescence for Organics & Chemicals) getaufte High-Tech-Gerät ist das erste UV-Raman-Spektrometer auf dem Mars überhaupt. Es ermöglicht dort die berührungslose, räumlich aufgelöste und hochempfindliche Erkennung und Charakterisierung von organischen Stoffen und Mineralien auf der Oberfläche und im nahen Untergrund. Auf der Erde hingegen werden mit der nach dem Physiker C. V. Raman benannten Raman-Spektroskopie beispielsweise die Materialeigenschaften von Halbleiterkristallen untersucht.

Unterstützt von einer Spezialkamera namens WATSON (Wide Angle Topographic Sensor for Operations and eNgineering) und einem UV-LASER erkennt SHERLOC organische Stoffe und Mineralien und erstellt von diesen topografische Karten. Forschungsteams auf der Erde bewerten dann die Messergebnisse und die mineralogischen Karten dahingehend, ob sich Anzeichen für einen früheren Einfluss von Wasser und Hinweise für vergangenes Leben auf dem Mars finden lassen. Auf dieser Grundlage wird entschieden, welche Gesteinsproben Perseverance entnehmen und in Metallröhren versiegelt auf der Marsoberfläche für eine künftige Rückführung zur Erde (Resample-Mission) zurücklassen soll.

Absoluter Härtetest

Für seine Messungen nutzt das UV-Raman-Spektrometer einen Deep-UV-Laser mit 248,6 nm Wellenlänge, der auf einen Punkt von weniger als 100 µm Durchmesser fokussiert ist. In der Nähe der Laserapertur ist eine SiC-UV-Breitband-Photodiode vom Typ SG01XL-5 von sglux verbaut. Diese detektiert die von SHERLOC während der spektralen Kartographie abgegebene UV-Strahlungsleistung, sodass die Leistung des Lasers bei der Abtastung der Oberfläche überwacht werden kann.

Vor ihrem Einsatz hat sglux den Herstellungsprozess der Photodiode an den Einsatz angepasst sowie aufwändige Selektions-, Prüf- und Charakterisierungsverfahren durchgeführt. Nachfolgend setzte die NASA die so ausgewählten Kandidaten weiteren Tests und Prüfungen aus, beispielsweise zu Vibrationsfestigkeit, Verhalten bei starker Beschleunigung, Hochtemperaturbeständigkeit und Wechselfestigkeit.

Einzigartige Materialeigenschaften

Aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften ist Siliziumkarbid derzeit das beste Halbleitermaterial für tageslichtunempfindliche UV-Detektoren und bietet sich geradezu an für den Einsatz in schwierigen Umgebungen. Die Photodioden auf SiC-Basis sind fast vollständig blind für Licht im sichtbaren Wellenbereich und überzeugen durch eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit. Der kleine Dunkelstrom im Femtoampere-Bereich sorgt für niedriges Rauschen, sodass auch sehr geringe UV-Strahlungsintensitäten zuverlässig gemessen werden können.

Die SiC-Detektoren vertragen vergleichsweise hohe Betriebstemperaturen und arbeiten in einem Temperaturbereich von minus 55 bis plus 170 °C stabil. Hierbei erreicht der Temperaturkoeffizient des Signals Werte von kleiner als 0,1 % pro Kelvin und temperaturbedingte Änderungen bei der Messempfindlichkeit lassen sich gut kompensieren. Zudem verfügt SiC über eine extreme Strahlungshärte, wodurch die Bauelemente selbst bei langer und starker Bestrahlung ihre hervorragenden elektrischen Eigenschaften behalten.

Wirtschaft und Wissenschaft

Neue Halbleitermaterialien wie Siliziumkarbid ermöglichen immer auch neue Anwendungen. Das eröffnet gerade den Newcomern und kleineren Unternehmen die Chance, mit innovativen Eigenentwicklungen aktive Wertschöpfung im Hightech-Sektor zu betreiben. Dafür werden oft hochspezialisierte Schlüsselbauelemente benötigt, die trotz niedriger Stückzahlen sicher verfügbar sein müssen. Vor allem den KMU und Start-Ups fällt es mangels eigener Ressourcen häufig schwer, ihre brillanten Ideen in marktfähige Produkte zu überführen. Aber auch für den Mittelstand steigt der Wettbewerbsdruck und der Investitionsaufwand für den technologischen Fortschritt wächst stetig an. Die Big Player hingegen haben in ihren großen Produktionsumgebungen nur wenig Spielraum für Experimente, da es hier vor allem auf Auslastung und Ausbeute ankommt.

Vor diesem Hintergrund ist es unerlässlich, den KMU, dem Mittelstand und auch der Industrie niedrig­schwelligen Zugang zu Hightech-Infrastruktur und Know-how im Bereich der Halbleitertechnologie anzubieten. Durch die Zusammenarbeit von innovativen Unternehmen wie sglux mit Forschungsinstituten wie dem Fraunhofer IISB sind großartige Erfolge möglich, wie das Beispiel der SiC-UV-Dioden von sglux, die bis zum Mars gereist sind, eindrucksvoll zeigt.

Dr.-Ing. Tilman Weiss, Geschäftsführer der sglux GmbH, resümiert: "Unser grundsätzlicher Anspruch lautet ja, dass unsere UV-Sensoren immer länger halten als das System, in das sie verbaut werden. Genau dafür ist der Einsatz auf der Mars-Mission eine großartige Bestätigung und auch für die Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IISB. Für das Herzstück unserer Erzeugnisse benötigen wir genau die technologische Kompetenz und die Anlageninfrastruktur, die es am IISB gibt. Erst die Symbiose aus Unternehmertum und Forschung ermöglicht uns eine nachhaltige Wertschöpfung mit exklusiven, weltweit gefragten Produkten."

Oleg Rusch, Gruppenleiter SiC-Bipolarbauelemente am Fraunhofer IISB, gibt dazu folgende Einschätzung: "Die reine Halbleiterfertigung ist eigentlich nicht primär für das IISB, auch wenn die Prozessierung von Prototypen, Spezialbauelementen und Kleinstserien mittlerweile bei uns zum Tagesgeschäft gehört. Unser Hauptanliegen ist insgesamt die Bereitstellung von wissenschaftlicher Exzellenz, Prozess-Knowhow und herausragender Anlageninfrastruktur für die KMU und die Industrie. Wir sehen bei vielen Unternehmen ein ungenutztes Potential an Innovationskraft, das mit wissenschaftlicher Unterstützung und F&E-Dienstleistungen im Halbleiterbereich erschlossen werden könnte."

SiC @ IISB

Die Aktivitäten des Fraunhofer IISB im Bereich integrierter Bauelemente sind tief eingebettet in die Institutsstrategie, herausragende Forschungsdienstleistungen entlang der kompletten Wertschöpfungskette anzubieten – vom Halbleitergrundmaterial bis zum leistungselektronischen System. Das technologische Fundament dafür bildet eine durchgehende und industriekompatible CMOS-Prozesslinie für Silizium- und Siliziumkarbid-Wafer bis 200 mm bzw. 150 mm Durchmesser. Im Rahmen der Gemeinschaftsinitiative „Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland“ (FMD) wird die Halbleiterfertigung aktuell auch für
200-mm-SiC-Wafer qualifiziert. Innerhalb der FMD hat sich das Fraunhofer IISB als Kompetenzzentrum für Siliziumkarbid positioniert und erweitert konsequent seine Aktivitäten auf diesem Gebiet.

Mit seiner Prozesslinie kann das IISB auch auf fortgeschrittene Technologien zur Heterointegration und Strukturierung im Nanometermaßstab zurückgreifen. Zusätzlich wird kontinuierlich das technologische Portfolio hinsichtlich der Aufbau- und Verbindungstechnik und der Zuverlässigkeit elektronischer Bauelemente und Module weiterentwickelt. Damit baut das Institut sein Angebotsspektrum für hochzuverlässige und höchsteffiziente Leistungselektronik für extreme Umweltbedingungen aus, wie sie in der Luft- und Raumfahrt anzutreffen sind.

sglux GmbH

Die 2003 gegründete sglux GmbH ist Herstellerin von Komponenten zur Messung ultravioletter Strahlung und ein internationales Kompetenzzentrum auf dem Gebiet der hochzuverlässigen Messung und Verarbeitung von UV-Strahlungsereignissen. Der Firmensitz ist in Berlin. Heute ist sglux weltweit führend bei strahlungsresistenten UV-Photodioden auf der Basis von SiC und die Firma hat sich mit 80 % Exportanteil zum Hidden Champion entwickelt. Das Erfolgsgeheimnis dafür liegt in spezialisierten Produkten, die auf die Bedürfnisse einer sehr anspruchsvollen Klientel zugeschnitten sind.