Einführung
Siliziumkarbid-Halbleiter (SiC) haben in der Halbleiterindustrie an Bedeutung gewonnen. Früher wurde Silizium als Hauptbasismaterial für Halbleiter verwendet. Seit der Einführung von Siliziumkarbid (SiC) scheinen Halbleiter jedoch funktional effizienter, langlebiger und effektiver zu sein.
Dieser Artikel bietet eine gute Erklärung, was Siliziumkarbid ist und warum es in letzter Zeit zu einem wichtigen Element in der Halbleiterindustrie geworden ist.
Was ist Siliziumkarbid (SiC)
Siliziumkarbid (SiC) ist ein keramisches Material, das hauptsächlich zur Herstellung von Heizelementen in der Fertigungsindustrie verwendet wird. Der Handelsname dieses Halbleitermaterials lautet Carborundum. Einige der Fertigungselemente, die dieses Keramikmaterial wird unter anderem zur Herstellung von Tiegeln, Brennerdüsen und Gleitlagern verwendet.
Weitere aus SiC hergestellte Elemente sind Verschleißteile, Dichtungsringe, Wärmetauscher und Sinterhilfen. Die große Frage ist also: „Warum wird SiC in Halbleitern so häufig eingesetzt?“: Siliziumkarbid-Halbleiter bieten eine höhere Elektronenbeweglichkeit und Wärmeleitfähigkeit bei gleichzeitig geringeren Leistungsverlusten.
SiC-Dotierung
Ein Vergleich von SiC und anderen Halbleitermaterialien mit großen Bandlücken zeigt, dass SiC höhere Konzentrationen breiter Dotierstoffe verträgt. Interessant ist, dass dies mit hoher Wahrscheinlichkeit durch Ionenimplantation oder In-situ-Dotierung möglich ist.
Die Dotierung von SiC erfolgt meist mit Donator-Verunreinigungen wie Phosphor und Stickstoff. Akzeptor-Verunreinigungen wie Gallium, Bor und Aluminium werden ebenfalls häufig eingesetzt, um die elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen. Stickstoff ersetzt Kohlenstoff, während Silizium im SiC-Gitter durch Bor, Aluminium und Phosphor ersetzt wird.
Mit Stickstoff dotiert, bildet SiC einen n-Typ-Halbleiter. Ein p-Typ-Halbleiter entsteht durch Dotierung mit Bor, Aluminium und Phosphor. Der Gitterparameter dieses Halbleitermaterials ändert sich tendenziell je nach Dotierungsdichte und Dotierstoff.
Ein weiterer Faktor, der Veränderungen der Gitterparameter verursacht, ist die Temperatur, die die Kristallbildung ermöglicht. Bei der Dotierung von SiC mit Stickstoff ist eine Kontraktion des Gitters zu beobachten. Im Gegensatz dazu ist bei der Dotierung mit Aluminium üblicherweise eine Ausdehnung des Gitters der Fall.
Gitterspannungen, die durch eine Fehlanpassung im Gitter aufgrund von Dotierung entstehen, sind ein entscheidender Faktor. Sie sind besonders bedeutsam bei der Geräteherstellung, insbesondere während der Phase der Heterostrukturbildung.
Eigenschaften von Siliziumkarbid (SiC)
Siliziumkarbid ist das härteste und zugleich leichteste Keramikmaterial überhaupt. Es ist eine Verbindung aus Silizium und Kohlenstoff und beständig gegen Säuren und Laugen. Darüber hinaus zeichnet sich SiC durch verschiedene chemische, mechanische und thermische Eigenschaften aus, die es zu einem geeigneten Halbleitermaterial machen.
Zu diesen Eigenschaften zählen die intrinsische Body-Diode (MOSFET-Bauelement), hohe Energieeffizienz, geringe Schalt- und Leistungsverluste sowie geringe Wärmeausdehnung. Weitere Merkmale sind die hervorragende Temperaturwechselbeständigkeit sowie die hohe Betriebstemperatur und -frequenz, die einen Betrieb bei etwa 200 °C ermöglichen.
Darüber hinaus verfügt es über hervorragende Wärmemanagementeigenschaften, wodurch der Kühlbedarf reduziert werden kann. All diese Eigenschaften ermöglichen den Betrieb von SiC-Dioden und -Transistoren ohne Verlust ihrer Effektivität und Zuverlässigkeit.
Vergleich zwischen Silizium und Siliziumkarbid in Halbleitern
Ein Vorteil von Siliziumkarbid-Halbleitern gegenüber Silizium-Halbleitern liegt in der Stärke des elektrischen Felddurchbruchs. Die Stärke des elektrischen Felddurchbruchs in SiC-Halbleitern ist zehnmal so hoch wie bei Silizium-Halbleitern. Daher kann ein Halbleiter auf Siliziumkarbidbasis die extrem hohen Spannungen von Hochleistungsbauelementen erzeugen.
SiC-Halbleiter verfügen über dünnere Driftschichten und hohe Fremdstoffkonzentrationen. Diese Eigenschaften ermöglichen die Belastbarkeit von 600 V bis über tausend Volt. Darüber hinaus zeichnet sich ein SiC-Halbleiter durch einen extrem niedrigen Durchlasswiderstand pro Flächeneinheit aus. Dieser niedrige Durchlasswiderstand trägt auch zu seiner Fähigkeit bei, hohen Spannungen standzuhalten.
Darüber hinaus kann der Driftschichtwiderstand pro Fläche von Siliziumkarbid-Halbleitern um das 300-fache gesenkt werden. Dies gilt im Vergleich zu Silizium-Halbleitern bei gleicher Spannung. Typischerweise müssen Silizium-Halbleiter wie IGBTs mit Minoritätsträgern unterstützt werden, um den Anstieg des Durchlasswiderstands zu minimieren.
Werden diese IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) jedoch als Trägerbauelemente für Siliziumhalbleiter verwendet, steigen die Schaltverluste. Dadurch entsteht mehr Wärme und der Hochfrequenzbetrieb wird eingeschränkt.
SiC-Halbleiter hingegen nutzen Mehrheitsträgerbauelemente (MOSFET und Schottky-Diode), um hohen Spannungen standzuhalten. Sie verfügen über einen geringeren Einschaltwiderstand, um den Bau von Hochgeschwindigkeitsbauelementen und den Hochgeschwindigkeitsbetrieb zu ermöglichen und gleichzeitig hohen Spannungen standzuhalten.
Siliziumkarbid-Halbleiter weisen zudem eine größere Bandlücke auf (dreimal so groß wie die eines Silizium-Halbleiters). Dadurch können Leistungsgeräte bei höheren Temperaturen betrieben werden, was die Anwendbarkeit erheblich erweitert.
Verwendung von SiC-Halbleitern
Siliziumkarbid-Halbleiter eignen sich für die Stromversorgung von Modulen in hocheffizienten und leistungsstarken Anwendungen. Siliziumkarbid-Halbleiter wie FET/MOSFET-Transistoren und Schottky-Dioden sind Bestandteile der meisten Geräte zur Stromversorgung. Dazu gehören Batterieladegeräte, Konverter, Motorsteuerungssysteme und Wechselrichter.
Siliziumbasierte Halbleiter haben eine Spannungsgrenze von 900 V. Bei SiC-Halbleitern ist dies jedoch nicht der Fall. Möchten Sie wissen, worin sich die beiden unterscheiden?
Siliziumkarbid-Halbleiter können Spannungen von bis zu 10 kV verarbeiten. Darüber hinaus ermöglichen die geringen Schaltverluste hohe Betriebsfrequenzen, wodurch noch höhere Wirkungsgrade erreicht werden können.
Der Einsatz von SiC-Halbleitern in Wechselrichtern und Umrichtern kann die Systemverluste um rund 50 Prozent senken. Zudem reduzieren sie die Größe um 300 Prozent und die Gesamtkosten des Systems um 20 Prozent. Diese Möglichkeit, die Gesamtsystemgröße zu reduzieren, unterstreicht den Nutzen von SiC-Halbleitern in platzkritischen Anwendungen.
Aktuelle Markttrends für Siliziumkarbid
Die Herstellung von SiC-Bauelementen erfährt erhebliche Fortschritte. Dies zeigt sich in der Qualität der SiC-Substrate und im Epitaxieprozess, der die Anwendung von Siliziumkarbid erleichtert. Forscher arbeiten aktiv daran, bestimmte Defekte der SiC-Substrate, darunter Mikroröhren und Flecken, zu beheben.
Weitere Substratdefekte, die korrigiert werden, sind kristalline Stapelfehler, Oberflächenpartikel und Kratzer, die die Leistung von SiC-Bauelementen beeinträchtigen. Einer höheren Dichte dieser Defekte steht das Bestreben entgegen, auch bei größeren SiC-Wafern eine gleichbleibende Substratqualität zu gewährleisten.
Die Umsetzung dieser Fortschritte wird jedoch die Qualität, Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit von SiC-Halbleitern und anderen SiC-Bauelementen verbessern. Dies eröffnet dem SiC-Markt zahlreiche Wachstumschancen. Weitere Fortschritte bei SiC-Bauelementen und -Technologie führen zu einer Verlagerung hin zur Herstellung größerer Wafer.
Darüber hinaus deutet die Entwicklung größerer Wafer auf eine verstärkte Einführung und Anwendung von SiC-Bauelementen in Leistungselektronik und Anwendungen. Es birgt auch Potenzial für einen verstärkten Anstieg der Nachfrage nach SiC-MOSFETs in EV/HEV-Antriebssträngen.
Anwendungen von Siliziumkarbid
Wenn Sie sich fragen, in welchen Bereichen Sie dieses Keramikmaterial einsetzen können, sind Sie hier genau richtig. Dank seiner Härte eignet sich das Material für ein breites Anwendungsspektrum. Neben Halbleitern findet SiC Anwendung in Elektrofahrzeugen, der Elektronik und Photonik, der Luft- und Raumfahrt sowie im Militärbereich.
Ist Ihnen bewusst, dass Siliziumkarbidkomponenten auch in traditionellen Bereichen Anwendung finden? Dazu gehören unter anderem Schleifmittel, Schneidwerkzeuge und feuerfeste Materialien. Sie werden auch feststellen, dass SiC eine bedeutende Rolle als Bestandteil von Autoteile - Bremsen und Kupplungen.
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Interessant ist auch, dass SiC bei der Herstellung von Raketendüsen eingesetzt wird. Bei Raketenantrieben ist die Raketendüse üblicherweise großer Hitze ausgesetzt. Wenn das Material die Hitze nicht aufnehmen kann, schlägt der gesamte Vorgang fehl.
Sie werden auch zur Verbesserung der Energieeffizienz in erneuerbaren Energiesystemen eingesetzt. Sie sollten auch wissen, dass SiC-basierte Geräte in Hochleistungs-HF-Anwendungen eingesetzt werden.
Auch in der Technologiebranche stehen viele Fortschritte bevor, insbesondere mit der Entwicklung der 5G-Technologie. Für den reibungslosen Betrieb von 5G-Netzen sind leistungsstarke HF-Anwendungen mit hohen Frequenzen erforderlich.
Daher werden Sie mit Sicherheit eine steigende Nachfrage nach Siliziumkarbid feststellen, wenn die 5G-Technologie zunehmend eingesetzt wird.
Marktwert von Siliziumkarbid
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Häufig gestellte Fragen (FAQs)
Kann SiC IGBT bei hohen Frequenzen übertreffen?
Ja. SiC kann bei hohen Frequenzen die Leistung von IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) übertreffen. IGBTs wurden früher als Träger für Siliziumhalbleiter verwendet, um einen Anstieg des Durchlasswiderstands zu verhindern. Der Wechsel zu SiC erfolgte jedoch, als Forscher entdeckten, dass Siliziumkarbid-Halbleiter von Natur aus einen niedrigen Durchlasswiderstand aufweisen.
Warum kann SiC hohe Spannungen verarbeiten?
Der Grund, warum Siliziumkarbid-Halbleiter hohe Spannungen aushalten können, liegt in ihrer elektrischen Felddurchschlagsfestigkeit. Im Vergleich zur dielektrischen Durchschlagsfestigkeit von Siliziumhalbleitern für elektrische Felder ist die Festigkeit von SiC-Bauelementen zehnmal höher. Somit halten SiC-Halbleiter höheren Spannungen von 600 V bis über 1.000 Volt stand.
Wie ist die Sperrwiederherstellungszeit von SiC im Vergleich zu Si?
Die Body-Diode des SiC-MOSFET verfügt über eine extrem schnelle Sperrverzögerungszeit (trr), wobei die Werte vernachlässigbar klein sind. Auch der Energieverlust (Err) ist im Vergleich zum Si-MOSFET deutlich reduziert.
Abschluss
SiC-Halbleiter verändern die Halbleiterindustrie rasant. Je früher Sie sich diesem Trend anschließen, desto schneller werden Sie die Vorteile nutzen. Neben zahlreichen weiteren Vorteilen hält SiC im Vergleich zu Siliziumhalbleitern mehr Hitze stand und ist daher ein zuverlässigeres Material.