Siliziumkarbid: Ein Wendepunkt für Halbleiterbauelemente

Siliziumkarbid (SiC) hat aufgrund seiner hervorragenden physikalischen und elektrischen Eigenschaften ein Comeback als wichtiges technologisches Material erlebt. SiC wird in Elektrofahrzeugen (EVs) für höhere Spannungen mit schnellerem Schalten und geringerer Verlustleistung eingesetzt.

SiC kommt in der Natur in Form des seltenen Minerals Moissanit sowie in bestimmten Meteoriten und Kimberlit vor, wird jedoch größtenteils synthetisch hergestellt, entweder durch Reaktionsbindung oder durch Sinterung.

Niedrige Dichte

SiC ist mit einer Dichte von 1,33 g/cm3 viel leichter als Silizium; außerdem zeichnet es sich durch eine überragende Steifigkeit und Wärmeleitfähigkeit aus, was es zum idealen Material für Anwendungen macht, bei denen sowohl Festigkeit als auch ein geringes Gewicht der Bauteile erforderlich sind.

Aufgrund seiner geringen thermischen Ausdehnung eignet sich SiC für Anwendungen, die eine hohe Zuverlässigkeit unter rauen Bedingungen erfordern, während seine Inertheit gegenüber vielen Chemikalien und Lösungsmitteln es sehr widerstandsfähig gegen chemischen Verschleiß macht - eine unverzichtbare Eigenschaft in der modernen Lapidarindustrie. Darüber hinaus ist SiC inert gegenüber chemischem Verschleiß, was es zu einem wichtigen Werkstoff in modernen Bearbeitungsprozessen macht, bei denen Schleifmittel zum Einsatz kommen.

SiC-Halbleiterbauelemente können durch verschiedene Verfahren hergestellt werden, darunter Sintern, Reaktionskleben, Kristallwachstum und chemische Gasphasenabscheidung (CVD). SiC zeichnet sich durch eine geringe Dichte bei gleichzeitig ausgezeichneten Steifigkeitseigenschaften aus und eignet sich für Betriebstemperaturen von bis zu 300o C.

Market Research Future hat vorausgesagt, dass die Leistungshalbleiterindustrie einen exponentiell wachsenden Umsatzschub erleben wird, da die Nachfrage nach SiC aufgrund des Bedarfs an leistungsfähigeren und energieeffizienteren Halbleitern für 5G-Mobilfunknetze steigt.

SiC-Halbleiter sind energieeffizienter als ihre Silizium-Pendants und können die Kosten erheblich senken. Ihre Technologie mit breiter Bandlücke ermöglicht weniger Verluste und eine geringere Erwärmung in der Elektronik, was zu einer verbesserten Energieeffizienz führt - ein wesentliches Merkmal bei der Einführung von Elektrofahrzeugen, da dadurch die Größe der Batterie, die Kosten für den Motor und die Kosten für den Wechselrichter verringert werden.

Hohe Temperaturbeständigkeit

Siliziumkarbid (SiC) ist eines der stärksten von Menschenhand geschaffenen Materialien und kann höheren Temperaturen standhalten als herkömmliche Halbleiter, was kleinere und leichtere Leistungsgeräte ermöglicht, die die Energieeffizienz verbessern und gleichzeitig die Produktionskosten senken. Darüber hinaus können SiC-Bauteile mit geringeren Leistungsverlusten und schnelleren Schaltgeschwindigkeiten entwickelt werden, was zu einer höheren Geräteleistung führt.

In reinem Zustand ist SiC in der Regel ein Isolator; wenn es jedoch mit Verunreinigungen dotiert wird, um freie Ladungsträger zu erzeugen und halbleitende Eigenschaften zu erhalten (bekannt als Dotierung). Nach der Dotierung können aus SiC Transistoren hergestellt werden, die elektrischen Strom in nützliche Leistung umwandeln, wodurch leistungsfähigere Komponenten kostengünstiger und für den Endverbraucher attraktiver werden.

SiC ist dank seiner breiten Bandlücke, die einen Hochfrequenzbetrieb bei niedrigeren Spannungen für eine verbesserte Leistungsdichte und geringere Verluste ermöglicht, eine ausgezeichnete Materialwahl für Hochleistungsleistungsanwendungen wie die RF-Kommunikation - heute der dominierende Standard im IoT.

SiC ist ein wichtiges Material in der Leistungselektronik und wurde bereits in Wechselrichtern für Elektrofahrzeuge eingesetzt, um die herkömmlichen Silizium-Halbleiter zu ersetzen und die Batterieleistung sowie die Sicherheit zu verbessern. Es wird bereits als wichtiges Mittel zur Modernisierung von Auto-Wechselrichtern eingesetzt.

Breite Bandlücke

Die große Bandlücke von Siliziumkarbid ermöglicht den Betrieb von Bauteilen aus Siliziumkarbid bei höheren Temperaturen - ein Vorteil bei Anwendungen wie Stromerzeugung und -übertragung. Aufgrund der großen Bandlücke können aus Siliziumkarbid hergestellte Bauelemente außerdem wesentlich höheren Spannungen standhalten als herkömmliche Halbleiter.

Die überragende Härte und Steifigkeit von Siliciumcarbid machen es zu einem hervorragenden Material für die Herstellung von Spiegeln für astronomische Teleskope. Siliciumcarbid ist äußerst resistent gegen Temperaturschocks und kann zu großen Scheiben mit einer Größe von bis zu 3,5 Metern verarbeitet werden. Da es sich um eine nichtoxidische Keramik handelt, kann es entweder durch Reaktionsbindungen oder durch Sinterverfahren hergestellt werden, die sowohl die Mikrostruktur als auch die Eigenschaften stark beeinflussen.

Silicium und Kohlenstoff gehören zu den vier am häufigsten vorkommenden Elementen in der Natur. Siliciumcarbid kommt jedoch in der Natur nur selten vor und ist nur in winzigen Spuren in Gesteinsablagerungen oder Meteoriten zu finden. Dennoch kann es leicht synthetisch hergestellt werden und wird seit langem als Schleifmittel und Edelsteinimitat (Karborund) verwendet.

Moderne Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbid für die Verwendung in der Schleifmittel-, Metallurgie- und Feuerfestindustrie verwenden ein Gemisch aus reinem Quarzsand, dem Kohlenstoff in Form von fein gemahlenem Koks beigemischt wird. Dieser wird dann um einen elektrischen Widerstandsofenziegel gelegt und bei hohen Temperaturen erhitzt, bis chemische Reaktionen stattfinden, die sowohl Siliciumcarbid als auch Kohlenmonoxidgas erzeugen.

Hoher Wirkungsgrad

Mit der weltweiten Energiewende hin zu Elektrofahrzeugen und erneuerbaren Energiequellen ist die Nachfrage nach modernen Halbleiterbauelementen, die kleiner, schneller und energieeffizienter sind, sprunghaft angestiegen. Während herkömmliche Siliziumchips Schwierigkeiten haben, diese Nachfrage zu befriedigen, bieten Technologien mit breiter Bandlücke wie SiC und Galliumnitrid erhebliche Vorteile gegenüber ihren Pendants.

Die Fähigkeit von Siliziumkarbid, bei höheren Temperaturen, Frequenzen und Spannungen zu arbeiten, ermöglicht es Entwicklern, die Leistung zu maximieren und gleichzeitig die Größe der Schaltkreise zu verringern, was zu geringeren Gesamtkosten führt. Darüber hinaus tragen die Wärmeableitungseigenschaften von Siliziumkarbid dazu bei, die Systemtemperaturen insgesamt zu senken und so die Effizienz und Zuverlässigkeit zu erhöhen.

Bauelemente auf Siliziumkarbidbasis weisen auch höhere kritische elektrische Feldgrenzen auf als ihre Gegenstücke auf Siliziumbasis, so dass sie wesentlich größere Ströme mit geringeren Schaltverlusten bewältigen können, was die Effizienz und Leistung der Bauelemente erheblich verbessert.

Die einzigartigen Eigenschaften von Siliziumkarbid machen es zu einem idealen Material für Leistungshalbleiter, die in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden, darunter Elektrofahrzeuge (EV), Solarstromerzeugung und Energiespeichersysteme. Market Research Future prognostiziert, dass Siliziumkarbid-Bauelemente in den nächsten fünf Jahren das Umsatzwachstum in diesem Segment anführen werden, da die steigende Nachfrage nach sauberer Energie in Verbindung mit der Effizienz, den reduzierten Kosten und der geringeren Größe von Siliziumkarbid den Transport, die Kommunikation und die Energieerzeugung revolutionieren könnte.