Einführung
Der technologische Fortschritt in der Leistungselektronikbranche nimmt dank Siliziumkarbid-Wafern stetig zu. Diese speziellen Halbleitermaterialien bieten einzigartige Eigenschaften und eignen sich daher optimal für die Herstellung von Geräten mit hohen Frequenzen und hoher Leistung. Dieser Artikel untersucht Siliziumkarbid-Wafer, ihre Eigenschaften und ihre Anwendungen.
Eigenschaften von Siliziumkarbid-Wafern
Ein Siliziumkarbid (SiC)-Wafer ist ein dünnes Stück kristallinen Materials, hergestellt aus der Verbindung HalbleiterSiliziumkarbid. Die Atome dieser beiden Elemente im Halbleiterwafer sind kovalent miteinander verbunden, wodurch eine starre, hochstabile Kristallgitterstruktur entsteht. Im Kern weist es eine bemerkenswerte Härte und die Fähigkeit auf, Wärme zu leiten und gleichzeitig die Leistungsfähigkeit der Geräte aufrechtzuerhalten.
SiC-Wafer verfügen über eine große Bandlücke (ungefähr 3,3 eV), die es ermöglicht, dass alle Geräte, in denen sie eingesetzt werden, bei hohen Temperaturen und Spannungen optimale Ergebnisse erzielen.
Siliziumkarbid-Wafer gibt es in verschiedenen Formen, vor allem in den Formaten 4H-SiC und 6H-SiC, die in verschiedenen Branchen, insbesondere der Leistungselektronik, eingesetzt werden. Die Struktur des Kristallgitters des Wafers wird durch den Buchstaben H dargestellt, die Stapelfolge der Atome innerhalb der Kristallstruktur durch die Zahlen 4 und 6.
Diese Halbleiterwafer oder Substrate, wie sie manchmal genannt werden, übertragen Wärme hervorragend von einem Punkt zum anderen, sind oxidationsbeständig, erhöhen die Effizienz und sind Siliziumwafern überlegen. Sie zeichnen sich durch eine hohe elektrische Leitfähigkeit aus und werden daher in vielen Anwendungen eingesetzt, von Elektrofahrzeugen (EVs) über Computerchips, die Luft- und Raumfahrt, Laser, LEDs, optische Empfänger, Schottky-Dioden, MOSFET-Transistoren, Solarzellen bis hin zu integrierten Schaltkreisen.
Mit einem Standarddurchmesser zwischen 150 mm und 200 mm und einer glatten Flachheit weisen SiC-Wafer-Geräte aufgrund ihrer Fähigkeit, hohe Temperaturen und Spannungen zu bewältigen, tendenziell bessere und schnellere Schaltgeschwindigkeiten, kleinere Größen und eine beeindruckende Immunität gegen Überhitzung auf.
Dotierung von SiC-Wafern
Um die elektrischen Eigenschaften von Siliziumkarbid-Wafern zu steuern, wurde im Laufe der Zeit ein Verfahren namens Dotierung eingeführt. Dabei werden Verunreinigungen in SiC-Wafer durch verschiedene Techniken wie Ionenimplantation und immobile Dotierung während des epitaktischen Wachstums eingebracht. Diese verschiedenen Techniken wurden im Laufe der Zeit kontinuierlich verbessert, was zu einer kontrollierten Aktivierung und Konzentration der Dotierung führte. Zu diesen Dotierstoffen gehören elektronenreicher Stickstoff (n-Typ) und Bor, das die p-Typ-Leitfähigkeit steuert.
Arten von SiC-Wafern
Es gibt zwei Haupttypen von SiC-Wafer:
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Polierter SiC-Wafer
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Epitaktischer kristalliner SiC-Wafer
Der polierte SiC-Wafer ist eine einzelne Siliziumkarbidscheibe aus hochreinen SiC-Kristallen, die hauptsächlich in der Hochleistungselektronik verwendet werden. Sie sind in Durchmessern von 100 mm bis 150 mm erhältlich.
Der epitaktische kristalline SiC-Wafertyp, auch n-Typ-Epitaxie genannt, entsteht durch die Zugabe mehrerer Siliziumkarbidkristalle zu einer Oberfläche. Dabei wird die Materialdicke sorgfältig kontrolliert.
Eigenschaften von Siliziumkarbid-Wafern
Einige der einzigartigen Eigenschaften, die SiC-Wafer so herausragend machen, sind:
1. Effiziente Energienutzung.
2. Langlebigkeit und Fähigkeit, bei hohen Frequenzen zu arbeiten.
3. Betriebstemperaturbereich bis 200 °C.
4. Geringe Schaltverluste.
5. Hohe Wärmeleitfähigkeit
6. Geringere Wärmeausdehnung.
7. Starke Elektronen- und Lochbeweglichkeit.
8. Hohes elektrisches Durchbruchfeld.
9. Beeindruckende Wärmebeständigkeit.
10. Hervorragende Beständigkeit gegen Oxidation und raue Bedingungen.
Vergleich zwischen Siliziumkarbid-Wafern in Prime- und Research-Qualität
Bei Siliziumkarbid-Wafern stehen üblicherweise zwei verschiedene Qualitäten zur Auswahl: Prime Grade und Research Grade SiC-Wafer. Beide Qualitäten haben jedoch ihre Vor- und Nachteile. Faktoren wie Anschaffungskosten, Anwendung und Dichtefehler können bei der Auswahl entscheidend sein.
Siliziumkarbid-Wafer höchster Qualität
Sie können diese Wafer für High-End-Anwendungen verwenden, die ein Höchstmaß an Leistung und Zuverlässigkeit erfordern. Diese hochwertigen Siliziumkarbid-Wafer zeichnen sich durch hohe Reinheitsgrade und eine sehr geringe Defektdichte aus und sind daher eine gute Wahl. Dank dieser Eigenschaft sind sie unter allen Bedingungen sehr leistungsstark und verursachen kaum oder gar keine Fehler.
Prime Grade SiC-Wafer sind besonders nützlich in der Luft- und Raumfahrt, im High-End-Computing, in der Computerchip-Technologie, in der Energieumwandlung und in der Leistungselektronik. Der Grund dafür ist, dass in diesen Bereichen kein Spielraum für Fehler besteht, was diese Wafer im Vergleich zu anderen Forschungsvarianten teurer macht.
Eigenschaften – SiC-Wafer der Spitzenklasse:
1. SiC-Wafer der Spitzenklasse haben normalerweise eine nutzbare Fläche von ungefähr 90%.
2. Sie weisen außerdem eine sehr geringe Defektdichte auf.
3. Diese Wafer besitzen eine Mikroröhrchendichte von 5/cm².
4. Sie weisen einen gleichmäßigen spezifischen Widerstand von etwa 90% auf.
5. Prime Grade SiC-Wafer weisen die besten Werte hinsichtlich Gesamtdicke, Verformungen und Biegung auf, was sie zu effizienten und stabilen Halbleitern macht.
Siliziumkarbid-Wafer in Forschungsqualität
Dieser Wafertyp bietet ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Qualität und Kosten. Wenn Sie neue Ideen und Innovationen entwickeln oder mit Halbleiterprojekten experimentieren möchten, sind SiC-Wafer in Forschungsqualität die richtige Wahl. Diese Wafer bieten nicht die gleiche Präzision wie erstklassige SiC-Wafer, da sie eine höhere Defektdichte und größere Variabilität aufweisen.
Obwohl diese Wafer Ihnen immer noch eine angemessene Menge an Operationen auf hohem Niveau bieten können, sind sie speziell auf Kosteneffizienz ausgelegt und für Experimente und weniger kritische Projekte wie akademische und Forschungsarbeiten geeignet.
Eigenschaften – Siliziumkarbid-Wafer in Forschungsqualität:
1. Diese Wafer haben eine nutzbare Fläche von etwa 80%.
2. Sie haben auch eine höhere Defektdichte und eine Mikroröhrendichte von 10/cm²
3. Ihr gleichmäßiger spezifischer Widerstand beträgt etwa 80%.
5. Sie haben eine bessere, aber nicht optimale Dicke, Krümmung und Verwerfung.
Sie haben deutlich gesehen, dass die Wahl zwischen Prime- oder Research-Grade-SiC-Wafern von Ihrem Verwendungszweck abhängt. Wenn Sie beispielsweise als Student an einem neuen Halbleiter forschen, könnten Research-Grade-SiC-Wafer die beste Option für Sie sein. Anders sieht es jedoch aus, wenn Sie als Hersteller High-End-Anwendungen mit minimalem Fehlerspielraum produzieren möchten.
Die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten von SiC-Wafern
SiC-Wafer eignen sich in verschiedenen Bereichen, darunter Leistungsbauelemente wie Schottky-Dioden und MOSFET-Transistoren. Sie finden auch Anwendung in der Optoelektronik, bei Computerchips, in drahtlosen Infrastrukturen sowie in der Luft- und Raumfahrt und im Militär, beispielsweise in Satellitenkommunikationssystemen und Radarsystemen, in erneuerbaren Energiesystemen wie Solarwechselrichtern, Windkraftanlagen und Wasserkraftprojekten.
Aktueller internationaler Trend und Marktwert von SiC-Wafern
Betrachtet man den aktuellen Marktwert und die globalen Trends von SiC-Wafern genau, stellt man fest, dass die Anwendungen von SiC-Wafern stark ansteigen. Seit der Erfindung von 5G und seiner weltweiten Verbreitung ist die Nachfrage nach SiC-Wafern sprunghaft gestiegen.
Im Jahr 2021 stieg der Marktwert von SiC-Wafern auf rund $367,8 Millionen und weist aktuell eine jährliche Wachstumsrate (CAGR) von 19,1% auf. Trotz eines Rückgangs von 12,1% im Jahr 2020 aufgrund der COVID-19-Pandemie prognostizieren Marktanalysten, dass der Marktwert bis 2029 $1,4 Milliarden überschreiten wird. Interessanterweise hat sich Nordamerika zu einem führenden Marktteilnehmer für Siliziumkarbid-Wafer entwickelt, während Shin-Etsu Chemical weiterhin der weltweit größte SiC-Wafer-Lieferant ist.
Doch hier bei GGSCeramics, wir bieten eine großartige Mischung aus hochwertigen und erschwinglichen SiC-Wafern, um Ihren Halbleiterbedarf zu decken.
Häufig gestellte Fragen
Warum werden Halbleiter in Chips verwendet?
Halbleiter werden in Chips verwendet, weil sie den Fluss elektrischer Ströme im System richtig steuern können, ohne die allgemeinen Systemfunktionen zwangsläufig zu stören.
Was unterscheidet Silizium-Wafer von Siliziumkarbid-Wafern?
Siliziumkarbid-Wafer haben eine zehnmal größere Bandlücke als Silizium-Wafer. Das bedeutet, dass sie höhere Temperaturen und Spannungen aushalten und zudem eine bessere Wärmeleitfähigkeit aufweisen als Silizium-Wafer.
Warum werden in der Elektronik häufig Halbleiterwafer verwendet?
Halbleiterwafer werden häufig in der Elektronik eingesetzt, da sie die Fähigkeit besitzen, Strom zu leiten und effektiv zu steuern. Dadurch eignen sie sich hervorragend als Steuerungssystem für den Stromfluss zwischen den Komponenten eines elektrischen Geräts. Diese besondere Eigenschaft erklärt auch, warum sie nach wie vor bei der Herstellung von Computerchips und integrierten Schaltkreisen eingesetzt werden.
Abschluss
Siliziumkarbid-Wafer liefern weiterhin hohe Leistung zu niedrigen Kosten und sind unbestritten ein wichtiger Katalysator für das Wachstum der weltweiten Halbleiterindustrie. Von ihren zahlreichen Anwendungen in der Leistungselektronik über die Luft- und Raumfahrt bis hin zu zahlreichen anderen bahnbrechenden Innovationen werden sie sicherlich bald Rekorde brechen und neue aufstellen.