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Grüne Energie mit Wide-Bandgap-Halbleitern

Im Bereich der Halbleiter-Technologien hat sich in den letzten Jahren enorm viel getan. Neben Silizium wird heute in zahlreichen elektronischen Geräten und Anwendungen verstärkt auf „Wide-Bandgap“-Materialien gesetzt. Halbleiter mit „großer Bandlücke“ bestehen aus Siliziumkarbid oder Galliumnitrid und haben bedeutende Vorteile, vor allem für Leistungsdichte und Energieeffizienz.

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Juli 09, 2025

Weniger Verluste, weniger Kühlungsbedarf, kleinere Geräte

Energy Efficiency Campaign
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Moderne Leistungshalbleiter basieren auf speziellen Wafermaterialien (Siliziumkarbid oder Galliumnitrid) und verfügen über spezifische Eigenschaften, die die Energieeffizienz optimieren. Damit der Kühlschrank zu Hause kühlt, die Fließbänder in der Fabrik laufen, die Photovoltaikanlage Solarstrom produziert oder digitale Daten im Rechenzentrum verarbeitet werden können: In allen elektronischen Anwendungen sind Halbleiter tätig, die oft im System arbeiten: Mikrocontroller, Sensoren, Gate-Treiber oder Leistungsbauteile. Sie sorgen dafür, dass Energie auf effiziente, zuverlässige, intelligente und sichere Weise umgewandelt wird.

Im Bereich der Leistungsbauteile stehen seit einigen Jahren neue Technologien zur Verfügung, die als Wide-Bandgap-Halbleiter bezeichnet werden: Siliziumkarbid und Galliumnitrid. Sie haben zahlreiche Vorteile in Bezug auf die Energieeffizienz und leisten somit einen wichtigen Beitrag zur CO2-Reduktion. Ihre Struktur und Eigenschaften erlauben es ihnen, höhere Spannungen und Frequenzen zu verarbeiten und auch bei höheren Temperaturen problemlos zu funktionieren.

Was ist Galliumnitrid (GaN)?

Galliumnitrid-Halbleiter sind Verbindungshalbleiter, die aus Gallium (Ga) und Nitrid (N) bestehen. Wafer rein aus Galliumnitrid wären in der Herstellung zu teuer. Hier greifen die Hersteller zu einem Trick: Sie verwenden Silizium-Wafer und bringen darauf eine hauchdünne Schicht aus Galliumnitrid auf. Diese hochkomplexe, metallorganische chemische Gasabscheidung findet bei Infineon in speziellen Reaktoren statt: Hier werden Silizium-Wafer bei einer Temperatur von 1200 Grad Celsius verschiedenen verdampften Chemikalien ausgesetzt.

In einer komplexen chemischen Reaktion entsteht aus den gasförmigen Stoffen in mehreren Stunden die nur wenige tausendstel Millimeter dicke GaN-Schicht. Auf diese Schicht werden dann die elektronischen Schaltungen aufgebracht. Durch die besondere Anordnung des Galliumnitrids auf dem Silizium-Grundmaterial verläuft der Strom in den Chips parallel zur Oberfläche, während er bei SiC durch den Chip fließt. Das bedeutet zwar, dass GaN-Chips nicht ganz so hohe Spannungen verarbeiten können, dafür können sie aber extrem schnell und fast verlustfrei schalten.

Was sind die Vorteile von GaN?

Galliumnitrid-Transistoren sind der Schlüssel zur Entwicklung kleinerer und effizienterer Stromversorgungslösungen. Technisch gesehen ermöglichen sie höhere Schaltfrequenzen bei gleichzeitig sehr geringen Verlusten. Auf diese Weise trägt die GaN-Technologie erheblich zur Verringerung der Systemkosten und -komplexität bei, da weniger Kondensatoren, kleinere Induktivitäten und kleinere Kühlkörper benötigt werden. Diese innovative Technologie ist heute bereits Teil vieler Anwendungen und Geräte unseres täglichen Lebens, wie USB-C-Adapter und -Ladegeräte, EV-Ladegeräte, Solarwechselrichter, Gleichrichter in der Telekommunikation und Server-Netzteile. Die Vorteile sind für viele Nutzer von großer Bedeutung: längere Akkulaufzeit, schnelleres Aufladen und verbesserte Datenkommunikation.

GaN waver
GaN waver
GaN waver

Kurz gesagt: GaN Komponenten verbessern Leistungsdichte, Zuverlässigkeit und Effizienz.

GaN in Alltags-Anwendungen

GaN in Rechenzentren – cool bleiben und kleiner denken

Mit dem Wandel der Lebensstile, der Digitalisierung und dem Vormarsch der künstlichen Intelligenz wachsen die Datenmengen exponentiell. Parallel nimmt der Energieverbrauch in Rechenzentren stark zu. Nach Angaben der Internationalen Energieagentur IEA verbrauchten Rechenzentren im Jahr 2022 rund 2 Prozent des weltweiten Gesamtstromverbrauchs (= 460 TWh). Und nach dem neuesten Report (2024) könnte diese Zahl sich bereits bis 2026 verdoppeln! Die Schlüsselfragen sind: Wo wird Energie benötigt, wofür und wie kann der Bedarf gesenkt werden?

PSS Data Center
PSS Data Center
PSS Data Center

Wussten Sie, dass Rechenzentren bis zu 40 Prozent ihrer Energie allein für die Kühlung verbrauchen? Innovative Energielösungen sind dringend gefragt. Neben den etablierten Halbleitern spielen vor allem die neuen Wide-Bandgap-Technologien eine entscheidende Rolle. Allein die GaN-Technologie könnte weltweit 21 TWh Energie jährlich einsparen. Betrachtet man die Auswirkungen aller Infineon-Technologien zusammen (Si, SiC, GaN), steigt dieses Einsparpotenzial sogar auf 48 TWh.  

GaN in data centers
GaN in data centers
GaN in data centers

GaN für Ladegeräte und Adapter – kleinere Dimensionen, höhere Leistung, weniger Elektroschrott

Heutige Ladegeräte für Handy, Laptop & Co müssen klein, leistungsstark und zuverlässig sein. Ganz zu schweigen von umweltfreundlich! Aber was ist mit der Energie, die bei der Spannungsumwandlung verloren geht? Wie können diese Verluste vermieden werden? Das Geheimnis liegt in der richtigen Halbleitertechnologie. Stellen Sie sich vor: Wenn jedes Smartphone-Ladegerät weltweit mit Infineon-Leistungsbauelementen ausgestattet wäre, würden wir den Strom einsparen, den alle Haushalte in einer Großstadt wie München jährlich verbrauchen. Mit anderen Worten: Wir könnten rund 2,3 GWh einsparen, was mehr als 1000 Tonnen CO2-Äquivalenten entspricht!

EE Campaign Chargers GaN Graphics
EE Campaign Chargers GaN Graphics
EE Campaign Chargers GaN Graphics

Das starke Potenzial von Galliumnitrid

  1. Modernste Mikroelektronik in Ladegeräten und Adaptern kann die Abwärme reduzieren. Galliumnitrid ist hier besonders effektiv. GaN-Transistorbauelemente ermöglichen eine höhere Schaltfrequenz im Spannungswandler bei gleichzeitig sehr geringen Verlusten. Einfach ausgedrückt: GaN-Halbleiter führen zu erheblichen Einsparungen bei der elektrischen Energie in Ladegeräten.
  2. Die GaN-Technologie ermöglicht höhere Leistungsdichten. Die Geräte werden kleiner, ohne Kompromisse bei Leistung oder Ladezeit.
  3. GaN Power Stages und Transistoren sind die treibende Kraft hinter dem USB-C-Standard. Es wird erwartet, dass USB-C jedes Jahr 11.000 Tonnen Elektroschrott einsparen wird.
Zum Infineon GaN-Portfolio

Was ist Siliziumkarbid (SiC)?

Siliziumkarbid-Halbleiter sind Verbindungshalbleiter, die aus Silizium (Si) und Kohlenstoff (C) bestehen. Im Vergleich zu „traditionellem“ Silizium ist die Herstellung von SiC sehr komplex. Obwohl SiC in der Natur als Karborund vorkommt, ist es zu unrein, so dass die Kristalle wie Silizium gezüchtet werden müssen. Während Siliziumkristalle bei etwa 1500 Grad innerhalb von zwei Tagen zu einem Meter Länge heranwachsen, benötigt Siliziumkarbid bei 2400 Grad bis zu zwei Wochen, um einen höchstens zehn Zentimeter langen Rohkristall, einen so genannten Puck, zu erzeugen. Im nächsten Schritt wird dieser Puck mit feinen Diamantdrähten in hauchdünne Scheiben geschnitten. Beim Sägen und Schleifen geht etwa die Hälfte des Materials verloren.

Doch es gibt eine Lösung: Infineon arbeitet mit einer Trenntechnik namens „Cold Split“. Ein Laser erzeugt eine „Defektschicht“, auf die ein Polymer aufgetragen wird. Beim Abkühlen dehnen sich der Halbleiter und das mit ihm verbundene Polymer unterschiedlich aus. Dadurch entstehen mechanische Spannungen, die den Wafer spalten. Das Verfahren gibt es schon seit einiger Zeit, aber es wurde erst mit Siliziumkarbid kommerziell interessant. Siliziumkarbid-Wafer sind teurer als Silizium-Wafer und extrem dünn. Bei gleicher Leistung sind SiC-Chips jedoch um den Faktor 5 kleiner als Si-Bauteile. Daher ist die pro Wafer gewonnene Leistung viel größer.

Weltweit gibt es umfangreiche Forschungsarbeiten zu SiC. Die EU beispielsweise unterstützt die „European SiC Value Chain for a greener economy“ mit 89 Millionen Euro. Und das aus gutem Grund: Laut der Beratungsagentur Yole wächst der Markt bis 2027 stark auf 6,3 Milliarden Dollar. Und SiC hat für bestimmte Branchen einzigartige Vorteile.

Was sind die Vorteile von SiC?

Elektroautos laden schneller und haben eine größere Reichweite, Züge und Industrieantriebe verbrauchen weniger Energie, Solarmodule können mehr Strom ins Netz einspeisen - dank eines einzigen Materials: Siliziumkarbid. Dieses Halbleitermaterial entfaltet sein Potenzial überall dort, wo Gleich- und Wechselstrom umgewandelt werden: zwischen PV-Modulen und dem Stromnetz, zwischen Batterien und Elektromotoren sowie zwischen dem Netz und Heimspeichern. Bei diesen Prozessen fließen beträchtliche Mengen an Strom. Bei jeder Stromumwandlung geht in der Regel Energie verloren. Dies kann durch SiC reduziert werden – und zwar entscheidend. Je nach Einsatzgebiet sehen Experten ein Potenzial von 30 Prozent Verlustreduzierung. Das summiert sich schnell auf mehrere Megawattstunden Einsparung.

SiC GaN
SiC GaN
SiC GaN

Das Geheimnis von Siliziumkarbid ist seine große Bandlücke. Das bedeutet, dass Siliziumkarbid im Vergleich zu Silizium höheren internen elektrischen Feldern standhalten kann. Somit können dünnere Halbleiterschichten mit geringerem Widerstand verwendet werden, was entsprechend weniger Leistungsverlust ermöglicht. Aufgrund seiner starren Kristallstruktur hält Siliziumkarbid auch höheren Temperaturen stand und leitet die Wärme besser ab. Beide Faktoren können den Kühlaufwand erheblich reduzieren. Das führt zu einem massiven CO2-Einsparpotenzial. Darüber hinaus ermöglicht Siliziumkarbid höhere Schaltfrequenzen. Die Vorteile davon zeigen sich in Wechselrichtern. Diese Bauteile „zerhacken“ den Gleichstrom in viele kleine Teile und setzen sie als Wechselstrom wieder zusammen. Und je höher die Schaltfrequenz, desto kleiner die jeweiligen Stromanteile und die benötigten passiven Bauelemente.

SiC in Alltags-Anwendungen

SiC in Solarinvertern – kleiner und leistungsstärker

Ein prominentes Beispiel, bei dem SiC dazu beigetragen hat, die Systemgröße  maßgeblich zu minimieren, sind Solarwechselrichter. Während ein 100-Kilowatt-Wechselrichter für eine Photovoltaikanlage im Jahr 2008 mehr als eine Tonne wog, wiegen moderne 125-kW-Geräte deutlich unter 100 Kilogramm. Solche Anlagen mit einem Wirkungsgrad von bis zu 99 Prozent sind bereits seit einigen Jahren auf dem Markt. Die besonderen Materialeigenschaften von SiC sind ideal: Im Vergleich zu herkömmlichen Silizium-Halbleitern gleicher Chipgröße erlauben sie höhere Stromstärken bei deutlich geringeren Verlusten. Indem sie höhere Schaltfrequenzen ermöglichen, tragen SiC-Halbleiter dazu bei, die Größe und das Gewicht von passiven Bauteilen wie Induktoren massiv zu reduzieren. Dies ermöglicht kompaktere PV-Wechselrichter und trägt zur Senkung der Systemkosten bei.

Solar Inverter
Solar Inverter
Solar Inverter

Kurz gesagt: Infineon SiC-Bauteile tragen dazu bei, den Gesamtwirkungsgrad eines Solarkraftwerks zu verbessern.

SiC bei Elektrofahrzeugen – größere Reichweite, kleinere Batterie, kürzere Ladezeiten

Siliziumkarbid in Elektrofahrzeugen ermöglicht mehr Effizienz, höhere Leistungsdichte und größere Reichweiten. Insbesondere bei einem 800-V-Batteriesystem und einer großen Batteriekapazität führt Siliziumkarbid zu einem höheren Wirkungsgrad in Traktionsumrichtern und ermöglicht so längere Reichweiten und niedrigere Batteriekosten. SiC verbessert außerdem die Effizienz und Leistungsdichte des On-Bord-Ladegeräts. Das Material ermöglicht einen bidirektionalen Stromfluss, vom Netz zur Batterie und umgekehrt. 

Car Charger
Car Charger
Car Charger

SiC hat auch positive Auswirkungen auf das Batteriemanagement: Es ermöglicht eine größere Fahrzeugreichweite bei gleicher Batteriegröße bzw. kleinere und leichtere Batterien bei gleicher Reichweite. Darüber hinaus kann mit der entsprechenden Infrastruktur dank SiC viel schneller geladen werden. Weitergedacht fördern Leistungshalbleiter die Nachhaltigkeit: Hocheffiziente Fahrzeuge haben durch optimierte Batteriekapazität, geringeren Kühlungsaufwand und optimierte Kabelbäume weniger Gewicht. Dies ermöglicht einen nachhaltigen, in sich geschlossenen Lebenszyklus und reduziert den Rohstoffverbrauch.

Kurz gesagt: Infineon SiC-Systemlösungen tragen dazu bei, die Gesamteffizienz des Fahrzeugs zu verbessern – insbesondere im Antriebsstrang, im Traktionsumrichter und im On-Board-Ladegerät.

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