Im Gespräch mit Stefan Mönch

Du forschst und promovierst im Bereich der Leistungselektronik. Was fasziniert dich an diesem Thema?

Leistungselektronik kann elektrische Energie theoretisch nahezu verlustlos umwandeln. Dieser Grundgedanke motiviert mich, die Vision zu verfolgen, dass eines Tages alle elektronischen Anwendungen hocheffizient mit Energie versorgt werden. Heutzutage erreichen Energiewandler nämlich leider nur in wenigen Anwendungen auch tatsächlich einen hohen Wirkungsgrad von über 99 Prozent, wie zum Beispiel in Solarwechselrichtern. In den meisten Fällen, wie in Milliarden Netzteilen weltweit, wird derzeit noch bis zu zehnmal mehr Verlustleistung verbraucht und somit Energie verschwendet. Das liegt vor allem daran, dass die bislang eingesetzte und über Jahrzehnte weiterentwickelte Siliziumtechnologie an ihre physikalischen Grenzen stößt und es nicht schafft, das Spannungsfeld zwischen Wirkungsgrad, Kosten und Kompaktheit zu überwinden. Am IAF erforschen wir deshalb alternative Halbleitermaterialien, die eine Verbesserung all dieser drei Aspekte gleichzeitig ermöglichen.

Woran forschst du aktuell und wovon handelt deine Promotion?

In meiner Forschung setze ich auf das Halbleitermaterial Galliumnitird (GaN), um damit dem übergeordneten Ziel einer nahezu verlustlosen elektrischen Energiewandlung näher zu kommen als bisher möglich. In meiner Promotionsarbeit gehe ich sogar noch einen entscheidenden Schritt weiter, als GaN nur zur reinen Wirkungsgradverbesserung einzusetzen:

Ich nutze die laterale Geometrie von GaN-Bauelementen mittels monolithischer Integration dazu aus, eine Vielzahl an Funktionen und Sensoren, die bisher aus vielen Bauelementen separat realisiert wurden, in einer einzigen integrierten GaN-Leistungsschaltung (GaN Power IC) zu realisieren. Das heißt, ich nutze die GaN-Technologie deutlich besser aus als der bisherige Stand der Technik, da ich nicht nur einen höheren Wirkungsgrad, sondern durch die Integration auch gleichzeitig eine viel höhere Kompaktheit erreichen kann. Allerdings führt die hohe Kompaktheit integrierter GaN-Schaltungen in Kombination mit Netzspannung zu kapazitiven Koppeleffekten, die in bisherigen diskreten Schaltungen nicht relevant waren. Meine Arbeit beantwortet deshalb die Frage, wie die Koppeleffekte entstehen und welchen Einfluss diese auf die Performance eines Energiewandlers haben. Mit diesem neu geschaffenen Wissen sind wir jetzt in der Lage, die Wirkzusammenhänge bereits beim Entwurf integrierter GaN-Schaltungen zu berücksichtigen und die Effekte teilweise sogar vorteilhaft auszunutzen.

Übrigens sind diese GaN-Schaltungen auch nicht teurer als bisherige Lösungen, da weiterhin preiswertes Silizium als Trägermaterial verwendet wird (GaN-on-Si).

Wo wird deine Forschung zum Einsatz kommen?

Die GaN-Technologie ist nicht nur eine technische Errungenschaft, sondern auch eine echte Innovation für Alltagsanwendungen. Seit wenigen Wochen gibt es die erste GaN-Technologie in Form von Laptop-Ladegeräten in Elektronikmärkten zu kaufen. Diese Geräte sind deutlich effizienter und kompakter, als wir es bisher kennen, und haben damit einen kaufentscheidenden Mehrwert für den Anwender. Bald wird GaN-Leistungselektronik aber auch in vielen anderen Anwendungen mit höherer Leistung genutzt werden. Aktuell erforschen wir zum Beispiel GaN-ICs für den Einsatz in Elektroautos oder der Prozessor-Spannungsversorgung. Denn überall da, wo viel elektrische Energie benötigt wird, hat GaN einen besonders hohen Nutzen, weil es ermöglicht, diese kostbare Ressource einzusparen.

Wie lässt sich deine Promotion mit deinem Arbeitsalltag vereinen?

Das IAF bietet die perfekten Rahmenbedingungen für meine Promotion. Die Forschung baut auf einer hervorragenden Infrastruktur und auf jahrzehntelangem Expertenwissen auf. Hier kann ich meine Promotion genauso durchführen, wie es sein soll: Ich kann den Stand der Technik und das »technisch gerade noch Machbare« als Grundlage nehmen und darüber hinaus gehen, um noch unbekannte Aspekte zu erforschen. Der Stand der Technik im Bereich GaN-Leistungselektronik basiert übrigens auch maßgeblich auf der Arbeit, Forschung und den abgeschlossenen Doktorarbeiten meiner Kolleginnen und Kollegen, was wissenschaftlich eine sehr motivierende Arbeitsumgebung schafft.

Dazu kommt die hohe Unabhängigkeit der Fraunhofer-Gesellschaft, die genügend Forschungsfreiheit bietet, um auch neue Ideen umzusetzen. Gleichzeitig vermittelt mir Projektarbeit ein Gefühl für die Anforderungen aus der Industrie, wodurch sich die eigene Forschung in eine Richtung lenken lässt, die später auch für die Anwendung relevant ist. Durch die enge Kooperation mit Universitäten ist außerdem sichergestellt, dass wir nicht nur technische Lösungen entwickeln, sondern die zugrundeliegenden Fragestellungen auch wissenschaftlich untersuchen können.

Was schätzt du am Standort Freiburg besonders?

In Freiburg ist man genauso schnell in der Natur wie am Institut. Es herrscht eine sehr klimafreundliche Umgebung und eine gemütliche Stadtatmosphäre. Dazu kommt so ein tolles Forschungsinstitut wie das IAF, an dem man an richtungsweisenden Technologien für Energieeffizienz arbeiten kann. Das passt einfach sehr gut zusammen.

Was war dein bisheriges Highlight am Fraunhofer IAF?

Zu sehen wie das Zusammenspiel verschiedenster Menschen am IAF es ermöglicht hat, dass aus einer Idee für eine integrierte GaN-Schaltung, die ich vor Jahren hatte, zwischenzeitlich viele Bauelemente geworden sind, die auch von der Industrie in Forschungsprojekten anwendungsnah eingesetzt werden. Die Forschungsergebnisse bereiten dadurch nicht nur uns am IAF Freude, sondern werden zu echten Highlights, da sie dazu beitragen, Alltagsanwendungen zu verbessern und sogar ganz neue Anwendungen zu ermöglichen.

Wie würdest du das Fraunhofer IAF in nur drei Worten beschreiben?

Halbleiterinnovation, Anwendungsrelevanz und Forschungsfreiheit.

Stefan Mönch forscht am Fraunhofer IAF im Bereich der Leistungselektronik und promoviert zum Thema GaN Power ICs. Zuvor war er an der Universität Stuttgart als wissenschaftlicher Mitarbeiter tätig, wo er auch seinen Bachelor und Master in Elektro- und Informationstechnik, mit dem Schwerpunkt Mikro- und Leistungselektronik, absolviert hat.