Die 10-Minuten-Verheißung: Galliumoxid-Chips fordern Siliziumkarbid heraus – Berliner Deeptech möchte das Laden beschleunigen

Die Ladestau-Falle und das unsichtbare Nadelöhr der E-Mobilität

Der eisige Wind pfeift unbarmherzig über den Autobahnrastplatz, während der Blick fast schon beschwörend zwischen der Anzeige der Ultraschnellladesäule und der eigenen Armbanduhr hin und her wandert. Obwohl das hochglanzpolierte Elektrofahrzeug laut Prospekt mit modernster Ladetechnologie glänzt, schleicht der Ladestrom bei frostigen Temperaturen nur extrem zäh in die Batterie. Für viele Autofahrer ist dieses Szenario die größte verbliebene Hürde beim Umstieg auf den elektrischen Antrieb und sorgt regelmäßig für Frust im Alltag. Die Automobilhersteller versuchen zwar unentwegt, mit immer größeren Akkupacks, ausgeklügelter Software und aktiver Batteriekonditionierung gegen diesen Effekt vorzugehen, stoßen dabei aber an eine unsichtbare physikalische Wand. Diese Grenze liegt jedoch überraschenderweise nicht primär im Akkumulator selbst begründet, sondern in den winzigen elektronischen Bauteilen, die den Strom auf seinem komplexen Weg von der Ladesäule in die chemischen Zellen steuern, wandeln und überwachen. Die Rede ist von der Leistungselektronik, dem weitgehend unsichtbaren, aber absolut kritischen Nervenzentrum jedes modernen Elektrofahrzeugs. Silizium, das jahrzehntelang unangefochten die gesamte Elektronikwelt beherrschte, hat in diesem extremen Hochleistungsbereich seine physikalischen Grenzen längst erreicht. Selbst das aktuell als Heilsbringer gefeierte Siliziumkarbid, das in modernen 800-Volt-Systemen von Premiumherstellern verbaut wird, um die Ladezeiten erträglich zu halten, könnte in naher Zukunft von einer noch potenteren Technologie abgelöst werden. Deshalb richten Ingenieure und Investoren ihren Fokus zunehmend auf ein HalbleitermateriaL das bisher vor allem in universitären Forschungslaboren diskutiert wurde,  nun aber mit Macht den Sprung in die kommerzielle automobile Realität ansetzt.

Der physikalische Quantensprung: Warum Siliziumkarbid bald alt aussieht

Um die Tragweite der aktuellen Entwicklung im Halbleiter-Sektor zu verstehen, hilft ein tieferer Blick in die physikalischen Grundlagen der Festkörperphysik. Leistungshalbleiter im Automobilbereich müssen unter extremen Bedingungen arbeiten, da sie gigantische elektrische Spannungen blockieren müssen, während gleichzeitig enorme Ströme fließen, ohne dass die Bauteile überhitzen. Eine der wichtigsten Kenngrößen für die Leistungsfähigkeit eines Halbleitermaterials ist die sogenannte Bandlücke, welche die energetische Barriere beschreibt, die Elektronen überwinden müssen, um vom Valenzband in das Leitungsband zu gelangen und somit Strom zu leiten. Herkömmliches Silizium, das wir aus Computerchips kennen, besitzt eine sehr schmale Bandlücke von lediglich 1,1 Elektronenvolt, was es für Hochvoltanwendungen im Auto ungeeignet macht. Das modernere Siliziumkarbid bietet hier mit 3,2 Elektronenvolt bereits eine erhebliche Verbesserung und ermöglichte erst den Durchbruch der schnellen 800-Volt-Ladearchitekturen. Aber Galliumoxid deklassiert diese Werte mit einer ultrabreiten Bandlücke von rund 4,8 Elektronenvolt auf beeindruckende Weise. Diese physikalische Eigenschaft sorgt dafür, dass Galliumoxid eine bis zu sechsmal höhere elektrische Feldstärke schadlos aushalten kann als das ohnehin schon leistungsfähige Siliziumkarbid. In der Praxis bedeutet dies, dass die aktiven Halbleiterschichten auf den Chips extrem dünn gestaltet werden können, was den inneren elektrischen Widerstand des Bauteils drastisch reduziert. Folglich schrumpfen die unvermeidbaren Energieverluste, die beim Schalten und Umwandeln des Stroms im Fahrzeug auftreten, auf ein absolutes Minimum. Ein weiterer entscheidender Vorteil liegt in den Herstellungskosten begründet. Während Kristalle aus Silliziumkarbid in extrem langsamen und teuren Gasphasenprozessen bei Temperaturen von über 2200 Grad Celsius gezüchtet werden müssen, lässt sich Galliumoxid direkt aus der flüssigen Schmelze gewinnen. Dieses etablierte Schmelzzugverfahren ist weitaus kostengünstiger, verbraucht weniger Energie und verspricht eine deutlich höhere Materialausbeute. Aber die Vorteile erstrecken sich noch weiter, da dieses Material theoretisch extrem hohe Schaltfrequenzen erlaubt. Dadurch können die passiven Bauelemente wie Spulen, Transformatoren und Kondensatoren im Ladegerät oder im Wechselrichter des Fahrzeugs drastisch verkleinert werden, was wertvollen Bauraum einspart und das Gesamtgewicht des Elektroautos spürbar reduziert.

Die Berliner Millionen-Spritze im Schatten der Geopolitik

Diese enormen technologischen Potenziale sind der Grund, warum die europäische Deeptech-Szene derzeit mit großer Aufmerksamkeit auf ein junges Berliner Unternehmen blickt. Das Startup Nextgo Epi, eine hochinnovative Ausgründung des renommierten Leibniz-Instituts für Kristallzüchtung in Berlin-Adlershof, konnte kürzlich eine wichtige Wegmarke auf dem Weg zur Kommerzialisierung erreichen. In einer erfolgreichen Pre-Seed-Finanzierungsrunde flossen dem Unternehmen frische 2 Millionen Euro zu. Angeführt wurde diese wichtige Investitionsrunde von Vireo Ventures, einem Risikokapitalgeber, der sich gezielt auf Technologien zur Förderung der globalen Energiewende konzentriert. Darüber hinaus beteiligten sich Ultratech Capital Partners, IBB Ventures sowie der erfahrene Business Angel Boris Habets an der Runde. Dieses frische Kapital soll nun in erster Linie dazu genutzt werden, die Produktentwicklung massiv zu beschleunigen, das hochspezialisierte Team aus Wissenschaftlern und Ingenieuren auszubauen und die kommerzielle Präsenz sowohl in Europa als auch auf den anspruchsvollen globalen Märkten in Asien und Nordamerika zu stärken. Dieses Investment kommt zu einem geopolitisch hochbrisanten Zeitpunkt, da die Europäische Kommission erst kurz zuvor mit dem sogenannten Chips Act 2.0 ihren bislang ehrgeizigsten Vorstoß zur Stärkung der europäischen Halbleitersouveränität vorgestellt hat. Europa will und muss seine gefährliche Abhängigkeit von asiatischen und US-amerikanischen Lieferketten bei strategisch wichtigen Materialien drastisch reduzieren. Nextgo Epi nimmt in diesem politischen und wirtschaftlichen Gefüge eine absolute Schlüsselstellung ein, da das Unternehmen derzeit der einzige Akteur auf dem europäischen Kontinent ist, der Galliumoxid-Epitaxiewafer in einer industrietauglichen Qualität herstellt. Stephan Schulze von IBB Ventures betonte in diesem Zusammenhang, dass das Berliner Startup eine Technologie kommerzialisiere, die in Europa einzigartig sei. Durch die tiefe Verwurzelung im starken Berliner Forschungsökosystem sei das Unternehmen hervorragend positioniert, um zu einem zentralen europäischen Lieferanten dieser strategischen Schlüsseltechnologie aufzusteigen. Auch Damian Perl von Ultratech Capital Partners äußerte sich äußerst positiv über die Zukunftsaussichten und hob hervor, dass das Team von Nextgo Epi tiefes technisches Know-how mit modernsten Fertigungskapazitäten verbinde, um die Elektronik der nächsten Generation maßgeblich mitzugestalten.

Die Kunst der perfekten Epitaxie: Vom Kristall zum Wafer

Der Schritt aus dem geschützten Universitätslabor in die raue Realität einer industriellen Fertigung ist jedoch eine gigantische Herausforderung, die nur mit extremem Spezialwissen bewältigt werden kann. Das dreiköpfige Gründerteam von Nextgo Epi, bestehend aus den promovierten Halbleiterphysikern Ta-Shun Chou, Andreas Popp und Andreas Fiedler, hat über ein Jahrzehnt an der Erforschung und Perfektionierung dieses Materials gearbeitet. Das Kernprodukt des Startups areitet mit sogenannten Epitaxiewafern mit einem Durchmesser von bis zu 4 Zoll, was umgerechnet rund 100 Millimetern entspricht. Bei diesem hochkomplexen Verfahren wird eine hauchdünne, elektrisch aktive Schicht aus Galliumoxid auf ein einkristallines Wafersubstrat aufgewachsen. Diese extrem präzise aufgebrachte Schicht bildet später das funktionale Herzstück des fertigen Leistungshalbleiters. Das Besondere an der Berliner Technologie liegt darin, dass das Team diese Epitaxieschichten nahezu defektfrei herstellen kann, was eine zwingende Voraussetzung für den Einsatz im Automobilbereich ist, wo kleinste Materialfehler zu katastrophalen Ausfällen führen können. Unterstützung erhält das junge Gründerteam dabei nicht nur aus der wissenschaftlichen Heimat des Leibniz-Instituts für Kristallzüchtung, sondern auch von erfahrenen Schwergewichten aus der Industrie. So begleitet Dr. Jochen Linck, der ehemalige operative Vorstand des weltweit führenden Halbleiterausrüsters Aixtron, das Startup als aktiver Partner bei der kommerziellen Skalierung und dem Aufbau der Vertriebskanäle. Dr. Ta-Shun Chou, der Geschäftsführer des Unternehmens, erklärte dazu, dass Galliumoxid für die moderne Leistungselektronik denselben Stellenwert einnehmen werde wie Silizium in der klassischen Computertechnik. Er fügte hinzu, dass Europa diese strategisch wichtige Wertschöpfungskette unbedingt im eigenen Land halten müsse, um die nächste Phase der globalen Energierevolution aktiv anzuführen.

Das thermische Dilemma: Warum der Traum vom Zehn-Minuten-Laden physikalische Grenzen hat

Die vom Startup und den Investoren herangetragenen Leistungsdaten klingen zweifellos spektakulär, denn eine Verkürzung der Ladezeit von 60 auf nur noch 10 Minuten wird in Aussicht gestellt. Gleichzeitig sollen die Herstellungskosten der Leistungshalbleiter im Vergleich zu etablierten Siliziumkarbid-Chips um bis zu 75 Prozent sinken. Doch an dieser Stelle ist eine gesunde Portion journalistische Skepsis dringend angebracht, da solche theoretischen Laborwerte in der harten automobilen Realität oft an unerbittliche physikalische Grenzen stoßen. Die mit Abstand größte technologische Schwachstelle von Galliumoxid is seine fundamentale physikalische Eigenschaft der extrem schlechten Wärmeleitfähigkeit. Im direkten Vergleich zu Siliziumkarbid leitet Galliumoxid die entstehende Wärme um ein Vielfaches schlechter ab. Wenn nun beim ultraschnellen Laden im Megawatt-Bereich gigantische Ströme durch das Bauteil fließen, entsteht zwangsläufig Verlustwärme. Kann diese Hitze nicht extrem schnell abgeführt werden, droht die empfindliche Leistungselektornik im Bruchteil einer Sekunde den Hitzetod zu sterben. Um dieses Problem zu lösen, erforschen Wissenschaftler derzeit komplexe Hybridansätze, bei denen die hauchdünne Galliumoxidschicht im Wafer-Bonding-Verfahren auf gut wärmeleitende Trägermaterialien wie Diamant oder Siliziumkarbid übertragen wird. Solche Ansätze sind jedoch fertigungstechnisch extrem anspruchsvoll und treiben die Kosten in die Höhe. Die versprochene Ersparnis von 75 Prozent in der Produktion könnte dadurch schnell dahinschmelzen. Darüber hinaus wird die Ladegeschwindikeit eines Elektrofahrzeugs in der Praxis fast nie durch die Schaltgeschwindigkeit der Leistungshalbleiter in der Ladesäule oder im Onboard-Ladegerät limitiert. Vielmehr sind es die komplexen elektrochemischen Vorgänge in den Lithium-Ionen-Zellen der Antriebsbatterie, die eine unbegrenzte Energieaufnahme verhindern. Bei zu hohen Ladeströmen droht das gefürchtete Lithium-Plating, bei dem sich metallisches Lithium an den Anoden ablagert, was die Lebensdauer der Batterie drastisch verkürzt und im schlimmsten Fall zu internen Kurzschlüssen und Fahrzeugbränden führen kann. Die versprochenen 10 Minuten Ladezeit dürften daher auf absehbare Zeit ein theoretischer Bestwert für extrem teure Luxussportwagen bleiben, während der normale Autofahrer im Alltag weiterhin mit deutlich längeren Wartezeiten rechnen muss.

Der holprige Weg in den automobilen Alltag

Trotz dieser berechtigten Zweifel und technischen Hürden ist das Projekt von Nextgo Epi weit mehr als ein reines akademisches Forschungsprojekt für den Elfenbeinturm. Das Startup befindet sich bereits in der aktiven Produktionsphase, erzielt erste nennenswerte Umsätze und beliefert anspruchsvolle Kunden auf 3 Kontinenten. Dies zeigt deutlich, dass die weltweite Industrie das enorme Potenzial des Materials erkannt hat und intensiv nach kostengünstigen Alternativen zu den extrem teuren Siliziumkarbid-Wafern sucht, die derzeit den Markt dominieren. Ein einzelner Siliziumkarbid-Wafer schlägt heute in der Herstellung oft noch mit rund 1000 Euro zu Buche, was die darauf basierenden 800-Volt-Wechselrichter zu einem extremen Kostenfaktor macht. Wenn Galliumoxid die Waferkosten tatsächlich massiv senken kann, könnten hocheffiziente Hochvoltsysteme auch in günstigen Einstiegsmodellen Einzug halten. Mit über 20 aktiven Kooperationspartnern weltweit, darunter namhafte Industriegrößen wie der taiwanesische Elektronikriese Foxconn, der Halbleiterspezialist Gallox Semiconductor sowie das renommierte Ferdinand-Braun-Institut und das renommierte Forschungsinstitut ITRI, hat sich das Berliner Unternehmen in kurzer Zeit ein beeindruckendes internationales Netzwerk aufgebaut. Bis die Technologie allerdings in einem echten Serienfahrzeug für den Massenmarkt auf der Straße landet, dürften noch viele Jahre vergehen. Die Automobilindustrie fordert extrem langwierige, strenge und kostspielige Qualifizierungsprozesse, wie etwa die Einhaltung der strengen Standards nach AEC-Q101, um die absolute Zuverlässigkeit der Bauteile über ein langes Fahrzeugleben von 15 Jahren und Hunderttausenden von Kilometern hinweg zu garantieren. Die Investition von 2 Millionen Euro ist daher ein wichtiger und hochgradig willkommener erster Schritt, um die technologische Reife der Epiwafer unter Beweis zu stellen. Sie ist aber im Grunde nur ein kleiner Tropfen auf den heißen Stein, wenn man bedenkt, welche gigantischen Summen für den Aufbau einer echten, vollautomatisierten industriellen Massenfertigung im Halbleiterbereich erforderlich sind. Dennoch hat Europa mit Nextgo Epi ein heißes Eisen im weltweiten Technologierennen im Feuer. Ob sich Galliumoxid am Ende als neuer Standard durchsetzen kann oder eine Nischenlösung für hochspezialisierte Industrieanwendungen bleibt, wird sich in den kommenden Jahren auf den Testständen der Automobilhersteller entscheiden.