Leistungshalbleiter läutet das Zeitalter von SiC ein (Teil 2)

Siliziumkarbid-Module (SiC) gelten als entscheidend für die Verbesserung der Effizienz von Antriebsstrangsystemen für Elektrofahrzeuge. Die deutliche Verlagerung von Geräten auf Siliziumbasis hin zu Geräten aus Siliziumkarbid wird erheblich dazu beitragen, die Leistungsdichte in Stromversorgungssystemen zu erhöhen und gleichzeitig die Größe, das Gewicht und vor allem die Kosten von Elektrofahrzeugen zu reduzieren. Denn obwohl sich Leistungshalbleiter auf Siliziumbasis noch in der Optimierung befinden, sind sie hinsichtlich Leitungs- und Schaltverlusten an ihre Einsatzgrenzen gestoßen. Siliziumkarbid kann mit seiner größeren Bandlücke (3.26 eV im Vergleich zu 1.12 eV bei Silizium) solche Verluste reduzieren und eine hervorragende Hochtemperatur- und Hochfrequenzleistung bieten.

Viele Hersteller von SiC-Chips haben ihre 150-mm-Siliziumproduktionslinien bereits auf SiC-Fertigung umgestellt. Veliadis erklärte: „Der bisher äußerst erfolgreiche Ansatz bestand darin, Siliziumkarbid in ausgereiften, vollständig abgeschriebenen Siliziumfabriken mit einer Kapitalinvestition von rund 30 Millionen US-Dollar zu verarbeiten und enorme Erträge zu erzielen.“ Bei Leistungsmodulen sind die Kosten besonders wichtig. „Durch die Verwendung von Siliziumkarbid zahlen Sie ungefähr das Dreifache der Kosten für Halbleiterchips, aber die Gesamtsystemkosten sind letztendlich niedriger als die von Silizium-Leistungsmodulen, was der Intuition widerspricht. Aber die Antwort ist einfach: Die Fähigkeit, effizient zu arbeiten.“ bei hohen Frequenzen reduziert das Volumen magnetischer und passiver Komponenten erheblich und gleicht die höheren Kosten der Chipherstellung aus.“

Allerdings gibt es in dieser Branche keine alten Fabriken mehr, die sich eine 30-Millionen-Dollar-Renovierung leisten könnten. Neue Siliziumkarbid-Wafer-Fabriken werden zügig gebaut. Unterdessen konkurrieren Nicht-Wafer-Unternehmen um Kapazitäten.

„Wir haben zwei miteinander konkurrierende Märkte – den Automobilmarkt und den Markt für erneuerbare Energien –, die beide nach Kapazitäten suchen“, sagte Ralf Bornefeld, Senior Vice President von Bosch Power Semiconductors and Modules. „Wir haben aus der COVID-19-Pandemie gelernt, dass ein konkurrierender Markt einen anderen Markt lahmlegen kann, daher müssen wir das berücksichtigen.“ Bosch produziert derzeit SiC-MOSFET-Module der dritten Generation mit einer Durchbruchspannung von 1,200 V.

SiC-Bauelemente eignen sich besonders für den Automobilbereich, da sie bei höheren Temperaturen in rauen Umgebungen betrieben werden können und eine hohe Leistungsdichte bieten. SiC-Leistungsbauelemente erzielen extrem niedrige Schaltverluste und einen extrem niedrigen RDSon (Widerstand zwischen Source und Drain im Betrieb). Der geringere RDSon korreliert mit geringeren Leistungsverlusten in MOSFETs.

Die Gerätefähigkeit beginnt mit SiC-Materialien. „Die Kristallqualität war der Schlüsselfaktor, mit dem sich alle Akteure in den letzten 20 Jahren beschäftigt haben, aber es gibt immer noch Basalebenenversetzungen, Stapelfehler usw. im Kristall, die für die Herstellung von 20, 30 und mehr berücksichtigt werden müssen 40-Quadratmillimeter-Geräte“, sagte Christophe Maleville, Senior VP von SOITEC Innovation. „Als wir vor vier Jahren in den Bereich Siliziumkarbid einstiegen, bemerkten wir zunächst, dass es Unterschiede von einem Ingot zum anderen und von einem Wafer zum anderen gab, an denen Ingenieure normalerweise die Epitaxie anpassen und validieren müssen. Also ihre Implementierung in der Fertigung.“ ist noch nicht mager.“

Aus elektrischer Sicht können Leistungsgeräte empfindlich auf parasitäre Induktivitäten, Funkenbildung und andere Probleme reagieren. Im Gegensatz zu analogen Mixed-Signal-Fabriken, in denen es keine Schrumpfung gibt, stehen Parameter im Vordergrund und Energietechniker müssen sich mit Schwankungen auseinandersetzen.

„In der Vergangenheit fehlte es (analog) an Schwund. Aber sie verfügen jetzt über ausgereifte Prozesse für Mängel“, sagte Dieter Rathei, CEO von DR Yield. „Da Verbindungshalbleiter wie Siliziumkarbid, Galliumnitrid und Galliumarsenid immer beliebter werden und schneller wachsen, werden sich die Probleme mit der parametrischen Ausbeute verbessern.“