SiC besitzt hervorragende Eigenschaften als Halbleitermaterial, insbesondere für Leistungskomponenten, die in der Leistungsumwandlung und -steuerung eingesetzt werden.Compared with traditional silicon devices, it can achieve low on-resistance, high-speed switching and high-temperature and high-voltage operation, so it is very popular in power supplies, automobiles, railways, industrial equipment and household consumer electronics equipment. Although SiC can finally be manufactured through artificial synthesis, the mass production of SiC power components once caused a headache for researchers due to extremely difficult processing.

※ Was ist Siliciumcarbid (SiC)?

Siliciumcarbid ist ein Verbindungshalbleitermaterial, das aus Kohlenstoff- und Siliciumelementen besteht.Siliziumkarbid (SiC), Galliumnitrid (GaN), Aluminiumnitrid (ALN), Galliumoxid (Ga₂O₃) usw. werden aufgrund ihrer Bandlückenbreite von über 2.2 eV zusammenfassend als Halbleitermaterialien mit großer Bandlücke bezeichnet. In China werden sie auch als Halbleitermaterialien der dritten Generation bezeichnet.

Aus materialtechnischer Sicht lässt sich die Halbleiterindustrie unterteilen in:

Elementare Halbleitermaterialien der ersten Generation: wie Silizium (Si) und Germanium (Ge);

Verbindungshalbleitermaterialien der zweiten Generation: wie Galliumarsenid (GaAs), Indiumphosphid (InP) usw.;

Die dritte Generation von Materialien mit großer Bandlücke: wie beispielsweise Siliziumkarbid (SiC), Galliumnitrid (GaN), Aluminiumnitrid (ALN), Galliumoxid (Ga2O3) usw.

Siliziumkarbid und Galliumnitrid zählen zu den Halbleitermaterialien mit den derzeit besten kommerziellen Aussichten und können als die neue Generation des „Goldenen Pfades“ in der Halbleiterindustrie bezeichnet werden.

Die erste Entdeckung von Siliciumcarbid in der Geschichte erfolgte 1891. Der Amerikaner Acheson entdeckte eine Kohlenstoffverbindung bei der Elektrolyse von Diamant. Dies war die erste Synthese und Entdeckung von Siliciumcarbid. Nach hundert Jahren der Forschung, insbesondere seit Beginn des 21. Jahrhunderts, hat die Menschheit die Vorteile und Eigenschaften von Siliciumcarbid vollständig verstanden und nutzt diese zur Herstellung verschiedener neuer Geräte. Die Siliciumcarbidindustrie hat sich rasant entwickelt.

Im Vergleich zu herkömmlichen Siliziummaterialien ist die Bandlücke von Siliziumkarbid dreimal so groß wie die von Silizium; die Wärmeleitfähigkeit ist vier- bis fünfmal so groß wie die von Silizium; die Durchbruchspannung ist achtmal so groß wie die von Silizium; und die Sättigungsdriftgeschwindigkeit der Elektronen ist doppelt so groß wie die von Silizium.Aufgrund verschiedener Eigenschaften eignet sich Siliziumkarbid besonders gut für die Herstellung von Hochfrequenz- und Hochleistungsbauteilen, die hohen Temperaturen, hohen Spannungen und hohen Strömen standhalten können.

Derzeit sind etwa 200 Kristallstrukturformen von Siliciumcarbid bekannt, darunter die kubisch dichteste Kugelpackung Sphalerit α-Kristallstruktur (2H, 4H, 6H, 15R) und die hexagonal dichteste Kugelpackung Wurtzit β-Kristallstruktur (3C-SiC).

Die β-Kristallstruktur (3C-SiC) eignet sich unter anderem zur Herstellung von Hochfrequenzbauelementen und Substraten für andere Dünnschichtmaterialien, beispielsweise für das Wachstum epitaktischer Galliumnitridschichten und die Fertigung von Galliumnitrid-Mikrowellen-Hochfrequenzbauelementen auf Siliziumkarbidbasis. Die α-Kristallform 4H kann für Hochleistungsbauelemente verwendet werden; 6H ist die stabilste Struktur und eignet sich für optoelektronische Bauelemente.

※ Leistungsvorteile von Siliciumcarbid

Betrachtet man nur Siliziumkarbid-Chips, so bietet Siliziumkarbid im Bereich der Leistungshalbleiter unvergleichliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Silizium-basierten Leistungshalbleitern: Siliziumkarbid ist beständiger gegen höhere Ströme und Spannungen, ermöglicht höhere Schaltgeschwindigkeiten, weist geringere Energieverluste auf und ist hitzebeständiger. Daher können Leistungsmodule aus Siliziumkarbid die Anzahl der Kondensatoren, Induktivitäten, Spulen und Kühlkörper entsprechend reduzieren, wodurch das gesamte Leistungsmodul leichter, energieeffizienter und leistungsstärker wird. Zudem wird die Zuverlässigkeit erhöht. Die Vorteile liegen auf der Hand. Zusammenfassend lässt sich sagen:

1. Eine niedrigere Impedanz ermöglicht kleinere Produktabmessungen und höhere Effizienz;

2. Geeignet für höhere Frequenzen und schnellere Schaltgeschwindigkeiten;

3. Ausgezeichnete Hochtemperatureigenschaften, geeignet für den Einsatz bei höheren Temperaturen.

※ Warum ist Siliziumkarbid so teuer?

Es ist allgemein bekannt, dass Siliziumkarbid enorme Geschäftsaussichten für die Zukunft hat, aber jeder, der in diese Branche einsteigt, wird mit dem ersten und praktischsten Problem konfrontiert: Was tun mit dem Material?

Mindestens die Hälfte des Grundes für das extrem ausgereifte Geschäftsumfeld traditioneller siliziumbasierter Industrien liegt darin, dass Siliziummaterialien relativ leicht zu beschaffen sind.Dank ausgereifter und effizienter Herstellungsverfahren sind Siliziummaterialien heutzutage sehr günstig. Aktuell kostet ein polierter 6-Zoll-Siliziumwafer nur 150 Yuan, ein 8-Zoll-Wafer 300 Yuan und ein 12-Zoll-Wafer etwa 850 Yuan.

Erst wenn die Rohstoffe billig genug sind, kann der Umfang der Industrie erweitert werden!

Mit dem Czochralski-Verfahren lässt sich derzeit in 72 Stunden ein Silizium-Einkristallstab von etwa 2-3 Metern Länge züchten, und aus einem einzigen Einkristallstab lassen sich Tausende von Siliziumscheiben auf einmal schneiden.

Wissen Sie, wie dick ein Siliziumkarbid-Einkristall in 72 Stunden gezüchtet werden kann? Weniger als ein paar Zentimeter!

Aktuell liegt die Wachstumsrate der schnellsten Methode zur Züchtung von Siliciumcarbid-Einkristallen bei etwa 0.1 mm/h bis 0.2 mm/h, sodass die Kristalldicke in 7.2 Stunden nur 72 mm bis 14.4 mm beträgt.

Man kann sich also vorstellen, wie teuer die hergestellten Siliziumkarbid-Einzelwafer sein können. Derzeit kostet ein 4-Zoll-Siliziumkarbidsubstrat etwa 2,000–3,000 Yuan, während 6-Zoll-Substrate bereits 6,000–8,000 Yuan kosten. Epitaxiale Wafer sind mindestens doppelt so teuer und derzeit nicht lieferbar.

Als weltweit führender Hersteller von Siliziumkarbid kontrolliert das US-amerikanische Unternehmen Cree nahezu 70 % der Produktionskapazität. Daher haben in- und ausländische Weiterverarbeiter langfristige Verträge mit Cree abgeschlossen, um sich Produktionskapazitäten zu sichern.

※ Siliziumkarbidmarkt

Siliziumkarbid-MOSFETs und Siliziumkarbiddioden werden in Solaranlagen, USV-Anlagen, Industrieanlagen, Automobilanlagen und anderen Anwendungen eingesetzt:Siliziumkarbid (SiC) wird hauptsächlich in Wechselrichtern für Photovoltaik-Energiespeicher, USV-Anlagen für Rechenzentrumsserver, Ladestationen für intelligente Stromnetze und anderen Bereichen eingesetzt, die einen hohen Wirkungsgrad erfordern. Mit der Entwicklung von Elektro- und Hybridfahrzeugen (xEV) in den letzten Jahren hat sich SiC jedoch auch in diesem neuen Feld rasant etabliert. Zu den Anwendungsbereichen zählen Energie (Photovoltaik, Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge, intelligente Stromnetze usw.), Automobilindustrie (OBC, Wechselrichter), Infrastruktur (Server) usw.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Siliziumkarbid in naher Zukunft einen revolutionären Einfluss auf die Leistungselektronikindustrie haben wird!

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