SiC-Pionier und Cree-Gründer John Palmour Cree: Vom Pizza-Boten zum Siliziumkarbid-Visionär

Mit 22 gab Cree-Mitgründer John Palmour seinen Job als Pizza-Kurier auf, um an der North Carolina State University in Raleigh zu promovieren. Damit beginnt die Geschichte der Cree Incorporated.

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Seit seiner Kindheit hatte der junge John W. Palmour eine besondere Beziehung zur North Carolina State University in Raleigh: Dr. Hayne Palmour, sein Vater, unterrichtete als Professor für Ceramic Engineering am Lehrstuhl Materials Science. Und gerade dort sah der wissbegierige John für sich die besondere Möglichkeit, innovative Forschung tatkräftig mit voranzutreiben.

Es war die Zeit, in der die Wissenschaft bereits früh zum etablierten Silizium als Basismaterial für Leistungshalbleiter nach leistungsstärkeren Alternativen suchte. So kam es, dass John Palmour als Doktorand und ausgewählte Kommilitonen 1983 im Auftrag des Amts für Marineforschung den Einsatz von Siliziumkarbid (SiC) in phasengesteuerten Hochleistungsradaren (High Power Phased Array Radar) untersuchen sollten.

Zielstrebigkeit und Ausdauer des kleinen Studenten-Teams führten bald schon zu Erfolgen. Im Verlauf ihrer intensiven Forschung und durch erste Ergebnisse in der SiC-Kristallzüchtung ermutigt, festigte sich bei den sechs Studenten der Gedanke, nach dem Studium mit einer Firma für LED-Beleuchtungen in die Selbstständigkeit zu gehen. Hierzu sollte die SiC-Forschung für die Marine als Sprungbrett dienen.

1987 schließlich war die Firma formell gegründet. Die Entschlossenheit das gesteckte Ziel zu erreichen und die viel versprechenden Forschungsergebnisse, SiC-Kristalle in Festkörperbeleuchtungen nutzen zu können, halfen dabei, ausreichend Geld in Familienkreisen zu sammeln. Damit konnte man sich selbst, ein Labor und erste Büroräume finanzieren.

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Zuerst unschlüssig über einen wirksamen Namen für die junge Firma entschieden sich die Kommilitonen schließlich für den Familiennamen zweier Mitgründer – Cree.

Dr. John W. Palmour erinnert sich: „Im schlechtesten Fall, so dachte ich damals, kriege ich einen Doktortitel und sammle wertvolle Erfahrungen für mein Berufsleben. Aber im Idealfall werde ich neben meinem Doktortitel auch noch die einzigartige Möglichkeit haben, mit einem noch unerforschten Halbleitermaterial zu arbeiten, das unglaubliches Potenzial für die moderne Elektronik hat. Ich wäre nie auf die Idee gekommen, dass dies dazu beitragen könnte, mein eigenes Unternehmen zu führen.“

Mit Auszeichnung promovierte dann John Palmour im Fach Materials Science and Engineering. Im Lauf seiner Karriere ist der heute 54-Jährige Mitinhaber von 46 US-amerikanischen und 135 zugehörigen ausländischen Patenten. Sein gesammeltes Wissen gab er in bisher 266 Fachpublikationen sowohl an Branchenexperten als auch Studenten weiter. Und als Alumnus der NC University ist Palmour auch heute noch mit der Hochschule eng verbunden.

Inzwischen ist Cree führend im innovativen Einsatz von SiC-Technologien; dazu gehört insbesondere die Festkörperbeleuchtungsindustrie. Palmour: „Als wir mit unserer Firma anfingen, identifizierten wir drei potenzielle Märkte für Siliziumkarbid. Das waren Leistungshalbleiter, High Power-RF-Bausteine und LEDs. Wir hatten uns dazu entschieden, den Fokus auf die blaue LED zu setzen.“

„Die Leute hielten uns damals für verrückt“

Im Cree-Gründungsjahr 1987 gab es bereits rote und grüne LEDs. Palmour und seine Partner wussten aber: Wenn es uns gelingt, die blaue LED zu entwickeln, steht der Herstellung von weißem Licht nichts mehr im Wege. Das wiederum wäre der Wegbereiter zu umfassenderen Anwendungen, wie vollfarbigen Videodisplays und sogar der allgemeinen Beleuchtung. „Die Leute hielten uns damals für verrückt“, lacht Palmour heute, „aber das Marktpotential war riesig.“

Während der Großteil des Unternehmensumsatzes dazu genutzt wurde, die LED-Produktion auszubauen, brachte John Palmour die Power- und RF-Geschäftseinheiten mithilfe staatlich geförderter Projekte für Power-Anwendungen voran. „Mit der blauen LED hatten wir die Möglichkeit, den Markt zu ordnen“, sagt Palmour, „wir wussten aber auch, dass SiC genauso viel Potenzial besaß, die Leistungshalbleiter neu zu definieren. Aber bis dahin lag noch ein gutes Stück Arbeit vor uns.“

Die weltweit erste blau leuchtende SiC-LED

Und tatsächlich gelang es Cree 1989 die welterste blau leuchtende LED vorzustellen. Ein Meilenstein, den Palmour wie folgt kommentiert: „Die blaue LED, die wir 1989 präsentierten, war in der Tat die erste kommerzielle LED. Es war eine SiC-LED vom P-Typ, also mit PN-Übergang. Unsere blaue SiC-LED war aber relativ ineffizient, denn SiC-Material hat eine indirekte Bandlücke. Das bedeutet, dass eine gewisse thermische Anregung nötig war, um Elektronen in das Leitungsband zu bringen und ein Photon freizusetzen.

Es ist bekannt, dass GaN hingegen eine direkte Bandlücke hat. Das Maximum des Valenzbands liegt direkt unter dem Leistungsband und ist nicht verschoben wie bei SiC. Aber dennoch bereitete GaN andere Schwierigkeiten bei der Herstellung eines P-Typs. Damit war unsere SiC-Lösung damals die einzige brauchbare Option. Wir hatten zwar ein sehr stabiles aber eben nicht effizientes Produkt, das für Beleuchtungsanwendungen schon gar nicht geeignet war. Unsere LED nutzten wir dann vorwiegend als Indikator und für RGB-Displays.

Einer der kürzlichen Nobel-Preisträger für Physik ist Professor Isamu Akasaki, der als erster eine P-Typ-GaN-LED vorstellte. Wir bei CREE verfolgten im Hintergrund die Entwicklung unserer GaN-LED. Aber Shuji Nakamura, der zweite Preisträger, lieferte als erster einen praktikablen P-Typ-Herstellungsprozess. Damit konnte die Nichia Corporation, in der Nakamura arbeitete, schließlich 1993 die erste blau leuchtenden GaN-LED vorstellen.

Wir präsentierten unsere erste blaue LED mit GaN-auf-SiC-Substrat etwa ein Jahr später.“ Dritter Preisträger ist Hiroshi Amano, der im Team um Isamu Akasaki forschte. Nach der erfolgten Nominierung (13.10.2014) werden den Preisträgern am 10.12.2014 die Urkunden übergeben.

1991 fertigte Cree den weltweit ersten kommerziellen SiC-Wafer. SiC wurde größtenteils als wirtschaftlich unrentable High-Power-Technologie angesehen und deshalb dauerte es lange, bis die Technologie die verdiente Anerkennung erreichte. Erst nach vielen Jahren kontinuierlicher Qualitätsverbesserungen erzielte CREE schlussendlich den notwendigen Kostendurchbruch, der es SiC endlich ermöglichte, in größerem Umfang in komplexen Anwendungen Einzug zu erhalten.

Erste SiC-Schottky-Diode für 600 V Sperrspannung

2002 stellte Cree (mit inzwischen fast 1000 Mitarbeitern) die erste 600-V-SiC-Schottky-Diode vor. Ihr Einsatz in Schaltnetzteilen (etwa zur Stromversorgung von Blade-Servern) machte die Kompensation der Blindleistung sehr viel effizienter. Damit konnten Server-Hersteller die Energieeffizienzstandards des Energy-Star-Programms einhalten. Diese Dioden verbesserten außerdem die Amortisationszeit von Solarstromanlagen, indem sie die Umsetzung von Niederspannungsgleichstrom in Hochspannungswechselstrom wirksamer machten.

2011 präsentierte Cree dann den ersten SiC-MOSFET, der das eigene Produktsortiment abrundete. Interessanterweise Weise hatten Palmour und sein Team schon bevor sie ihre erste blaue LED vermarkteten, einen SiC-MOSFET entwickelt, der bei 650 °C in Betrieb war, um die Fähigkeit des Halbleiters zu demonstrieren.

„Es wird immer einen Bedarf für noch effizientere Schalter geben und ich glaubte fest daran, dass unsere SiC-MOSFETs weiteres Wachstum erzielen“, sagt Palmour, „unsere zweite Generation SiC-MOSFETs brachte eine verbesserte Leistung zum nahezu halben Preis gegenüber der ersten Generation und ich gehe davon aus, dass unsere dritte und vierte Generation an MOSFETs diesen Trend weiterführen werden.“

Palmour ist zuversichtlich, dass SiC-basierte Schalter und Dioden etablierte Technologien wie Silizium weiterhin an Leistung übertreffen werden. Ein Umstand, der laut Palmour wiederum zu einer weiteren Verbreitung von SiC-basierten Schaltern und damit zu weiteren Kosteneinsparungen führen sollte.

Was Palmour an der Erforschung von SiC wirklich begeistert, sind Anwendungen der Leistungselektronik, die bisher noch kaum jemand in Betracht gezogen hat: „Siliziumkarbid hat inhärente Vorteile für Hochspannungsanwendungen, in denen herkömmliche Halbleiter-Lösungen nicht als wettbewerbsfähige Alternativen angesehen werden. Es ist immer noch eine Herausforderung für uns, vom Markt akzeptiert zu werden, aber ich gehe fest davon aus, dass Hochspannungsanwendungen eine ganze Reihe neuer Möglichkeiten für uns eröffnen.“

Diese neuen Möglichkeiten sind es, die Palmour antreiben: „Revolutionäre Schaltertechnologien scheinen alle 15 bis 20 Jahre aufzutauchen und ich denke, wir sind kurz vor dem Durchbruch von etwas ganz Großem. Wir fangen auch gerade erst an, wirklich zu entdecken, was mit dieser Technologie alles möglich ist. Ich will dabei sein, wie sie ihre volle Blüte entfaltet.“

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