Siliziumkarbid (SiC) ist ein Halbleiter-Grundmaterial, das aus reinem Silizium und reinem Kohlenstoff besteht. SiC kann mit Stickstoff oder Phosphor „gedopt“ werden, um einen N-Typ-Halbleiter, oder mit Beryllium, Bor, Aluminium oder Gallium, um einen P-Typ-Halbleiter zu erhalten. Zwar gibt es viele Varianten und Reinheitsgrade von Siliziumkarbid, SiC in Halbleiterqualität ist jedoch erst seit wenigen Jahrzehnten tatsächlich nutzbar.
Wie wird Siliziumkarbid hergestellt?
Das einfachste Verfahren zur Herstellung von Siliziumkarbid besteht darin, Siliziumsand und Kohlenstoff (etwa Kohle) bei hohen Temperaturen (bis zu 2.500 °C) zu schmelzen. Dunklere, weiter verbreitete Siliziumkarbid-Varianten enthalten oft Verunreinigungen durch Eisen und Kohlenstoff, reine SiC-Kristalle sind hingegen farblos und bilden sich durch Sublimation bei 2.700 °C. Sobald sie erhitzt wurden, setzen diese Kristalle bei niedrigeren Temperaturen im Rahmen eines als „Lely-Verfahren“ bekannten Prozesses Graphit ab.
- Lely-Verfahren: Bei diesem Vorgang wird eine Granitzelle auf eine sehr hohe Temperatur erhitzt (normalerweise per Induktion), um per Sublimation Siliziumkarbidpulver abzuscheiden. Anschließend wird eine Graphitstange mit niedrigerer Temperatur in die Gasmischung gehängt, an der sich reines Siliziumkarbid in kristalliner Form anlagert.
- Chemische Dampfdeposition: Ein weiteres Verfahren zur Gewinnung von SiC ist die chemische Dampfdeposition, die typischerweise im Rahmen kohlenstoffbasierter Syntheseprozesse und in der Halbleiterindustrie zum Einsatz kommt. Dabei wird eine spezielle Gasmischung in eine Vakuumumgebung gebracht und reagiert, bevor sie als Substrat abgelagert wird.
Beide Verfahren zur Gewinnung von Siliziumkarbid-Wafern erfordern den Einsatz großer Mengen von Energie, Equipment und erhebliches Know-how.
Wofür wird Siliziumkarbid verwendet? Vorteile von SiC
Traditionell verwenden Hersteller Siliziumkarboid in Hochtemperaturumgebungen für Geräte wie Lager, Heizmaschinenkomponenten, Fahrzeugbremsen oder auch für Geräte zum Schleifen von Messern. Die Vorteile von Siliziumkarbid für Elektronik- und Halbleiteranwendungen sind:
- Hohe Wärmeleitfähigkeit von 120–270 W/mK
- Niedriger thermischer Expansionskoeffizient von 4,0x10°-6/°C
- Hohe maximale Stromdichte
Diese drei Eigenschaften zusammen sorgen für die hervorragende elektrische Leitfähigkeit von SiC, besonders im Vergleich zu „normalem“ Silizium. Die Materialeigenschaften von SiC machen es besonders geeignet für Hochleistungsanwendungen, bei denen hohe Stromstärken, hohe Temperaturen und hohe Wärmeleitfähigkeit sehr wichtig sind.
In den letzten Jahren wurde SiC zum Schlüsselmaterial in der Halbleiterindustrie, besonders für MOSFETs, Schottky-Dioden und Strommodule für energieintensive und hocheffiziente Anwendungen. Zwar ist SiC teurer als Silizium-MOSFETS, die typischerweise auf Durchbruchspannungen bei 900 V beschränkt sind, doch es ermöglicht Spannungsschwellenwerte bei annähernd 10 kV.
SiC bietet dazu sehr niedrige Schaltverlustwerte und kann hohe Betriebsfrequenzen unterstützen; dies ermöglicht unschlagbare Effizienz, besonders für Anwendungen über 600 Volt. Bei korrekter Implementierung können SiC-Geräte Verluste bei Converter- und Inverter-Systemen um fast 50 %, die Größe um 300 % und die Gesamtsystemkosten um 20 % reduzieren. Diese Reduzierung der Gesamtsystemgröße macht SiC besonders für Anwendungen nützlich, bei denen Gewicht und Platz eine große Rolle spielen.
Siliziumkarbid-Anwendungen
Viele Hersteller verwenden heute SiC zunehmend in Anwendungsbereichen wie Elektrofahrzeugen, EV-Ladestationen, Solarenergiesystemen und HLK. Diese effizienzorientierten System arbeiten alle mit hohen Spannungswerten und hohen Temperaturen. Wir erleben weltweit einen deutlichen Trend hin zur Implementierung von SiC gegenüber anderen Materialien, um durch Energieineffizienzen bei höheren Spannungswerten bedingte Kohlendioxidemissionen zu reduzieren. Obwohl hochmoderne Technologien wie Elektrofahrzeuge und Solarenergie Pionierdienste für die Nutzung von SiC leisten, erwarten wir, dass auch andere Branchen bald nachziehen werden.
SiC ist mittlerweile im Automobilsektor stark verbreitet, da in dieser Branche hohe Qualität, Zuverlässigkeit und Effizienz von höchster Wichtigkeit sind. SiC eignet sich sehr gut für Anwendungen mit hohen Spannungswerten. Siliziumkarbid bietet das Potenzial, die Reichweiten von Elektrofahrzeugen durch Verbesserung der Gesamtsystemeffizienz zu erhöhen, besonders im Wechselrichtersystem. Dies verbessert die Energiespareigenschaften des Fahrzeugs und reduziert Größe und Gewicht von Batteriemanagementsystemen.
Goldman Sachs prognostiziert sogar, dass die Nutzung von Siliziumkarbid in Elektrofahrzeugen die Herstellungskosten und Gesamtbetriebskosten um fast 2.000 USD pro Fahrzeug reduzieren könnte. Dazu optimiert SiC Schnellladeprozesse für Elektrofahrzeuge (in der Regel im kV-Bereich) und kann die allgemeinen Systemverluste um annähernd 30 % reduzieren, die Energiedichte um 30 % erhöhen und die Anzahl der Komponenten um ebenfalls 30 % senken. Diese Effizienz wird kleinere, schnellere und kosteneffektivere Schnellladestationen ermöglichen.
In der Solarbranche spielen auch durch SiC ermöglichte Optimierungen von Wechselrichtern eine sehr große Rolle für Effizienz und Kosteneinsparungen. Die Verwendung von Siliziumkarbid in Solar-Wechselrichtern erhöht die Schaltfrequenz eines Systems auf das Zwei- bis Dreifache gegenüber herkömmlichem Silizium. Diese höhere Schaltfrequenz ermöglicht Reduzierungen der Magnete im Schaltkreis, was wiederum deutliche Platz- und Kosteneinsparungen mit sich bringt. Das Ergebnis ist, dass auf Siliziumkarbid basierende Wechselrichterkonstruktionen mittlerweile annähernd halb so groß und schwer wie solche auf Siliziumbasis sind. Ein weiterer Faktor für die zunehmende Bevorzugung von SiC gegenüber anderen Materialien (wie etwa Galliumnitrid) durch Solar-Hersteller ist die sehr große Langlebigkeit und Zuverlässigkeit. Durch die Zuverlässigkeit von Siliziumkarbid können Solarsysteme die stabile Langlebigkeit erreichen, die erforderlich ist, um kontinuierlich über mehr als zehn Jahre lang in Betrieb zu bleiben.
Erfahren Sie mehr über die Unterschiede zwischen GaN und SiC.
Die Welt retten – mit Siliziumkarbid
Mehrere führende Unternehmen im Siliziumkarbid-Sektor haben sehr nützliche Ressourcen und Produkte rund um SiC im Bestand. Wolfspeed bietet verschiedene Siliziumkarbid-Produkte an, wie etwa:
Wolfspeed ist auch der größte Hersteller von Basis-SiC-Wafern und dadurch absoluter Experte für alles rund um SiC. Wolfspeed setzt sich intensiv dafür ein, die Nutzung von Siliziumkarbid auszuweiten. Um mehr zu erfahren, sehen Sie sich das vollständige Angebot von Siliziumkarbid-Lösungen des Unternehmens an.
Andere Halbleiteranbieter, wie etwa Infineon Technologies, onsemi oder ST Microelectronics, verfügen ebenfalls über umfangreiche Portfolios von Siliziumkarbid-Produkten, darunter Power-MOSFETs und Leistungsmodule. Darüber hinaus investieren sie selbst in die Erweiterung von SiC-Kapazitäten.
Bei Entwicklungen mit SiC sind aber noch weitere Komponenten zu berücksichtigen. Hierzu gehören Gate-Treiber von Analog Devices, Infineon Technologies, onsemi und Skyworks. Zusätzlich benötigen Systeme Passivkomponenten und Verbindungen, wie etwa Magnete von Bourns, Inc., Kondensatoren von Yageo und Steckverbinder von Molex. Arrow Electronics kann dabei helfen, alle diese Komponenten von führenden Anbietern für den erfolgreichen Entwurf einer Lösung mit SiC zusammenzubringen.
