Was sind die Gründe dafür, dass Siliziumkarbid (SiC)-Halbleitermaterialien eine vielversprechende Zukunft haben?

Sie sind klein, leistungsstark und extrem effizient: Halbleiter aus Siliziumkarbid können dazu beitragen, die Leistungselektronik in Batterien und Sensoren auf die nächste Stufe zu heben – und leisten damit einen wichtigen Beitrag zu Durchbrüchen bei Elektrofahrzeugen und unterstützen die Digitalisierung der Industrie.  
   
 

Halbleiter aus Siliziumkarbid (SiC) verarbeiten Strom in einigen wichtigen Anwendungen effizienter als herkömmliche Halbleiter. Diese neue Technologie ist daher besonders für Hersteller von Elektrofahrzeugen interessant: Dank des Einsatzes von SiC-Halbleitern trägt eine verbesserte Batteriesteuerung zur Energieeinsparung bei und verlängert somit die Lebensdauer von Elektrofahrzeugen deutlich. SiC-basierte Halbleiter ermöglichen zudem schnelleres Laden. Schon heute sind in jedem Elektroauto zahlreiche Halbleiter verbaut. Zukünftig werden sich insbesondere SiC-Wandler aufgrund ihrer Vorteile hinsichtlich Schaltgeschwindigkeit, Wärmeverlust und kompakter Bauweise durchsetzen. Auch andere Unternehmen, wie Mobilfunknetzbetreiber, Smartphone-Hersteller und die Automatisierungsindustrie, setzen große Hoffnungen in diese Mikrochips.
 

Vorteile und Anwendungen von SiC-Halbleitern    
   

10 mal

Im Vergleich zu herkömmlichen Silizium-Halbleitern können SiC-Leistungselektronik-Halbleiter aus deutlich kleineren Materialien hergestellt werden. Dies ist möglich, da sie eine größere Bandbreite aufweisen und somit elektrische Energie mit geringeren Wärmeverlusten umwandeln können. Silizium-Halbleiter müssen wesentlich größer sein, um die gleiche Leistung zu erzielen.

 
 

Bis zu 50 % reduzieren

Im Vergleich zu herkömmlichen Silizium-Halbleitern treten bei SiC-Halbleitern Wärmeverluste auf. Daher ist die Leistungselektronik, also die Umwandlung elektrischer Energie in eine für Geräte nutzbare Form, ein wichtiges Anwendungsgebiet für SiC-Halbleiter. Bei einem Laptop beispielsweise befindet sich der Halbleiter im Transformator des Ladegeräts. Bisher wurden hierfür hauptsächlich Silizium-Halbleiter verwendet, die jedoch große Mengen an Energie in Form von Wärme abgeben. Durch den Einsatz von Siliziumkarbid-Halbleitern werden die Wärmeverluste deutlich reduziert, wodurch mehr Energie zum Laden zur Verfügung steht.  
 
 
  300–500 %  

SiC-Transistoren ermöglichen zudem höhere Schaltfrequenzen als Siliziumtransistoren. Dies ist ein weiterer Grund, warum SiC-Halbleiter zur Herstellung deutlich kleinerer Bauteile eingesetzt werden können.  
 
 
 

10% bis 15%

Siliziumkarbid-Halbleiter (SiC) könnten die Reichweite von Elektrofahrzeugen erhöhen, da sie Energie effizienter umwandeln. Dadurch können Automobilhersteller kleinere Batterien in ihre Elektrofahrzeuge einbauen. Dies ist ein Gewinn für alle Beteiligten und kann der Branche neuen Schwung verleihen.

 
 

Geeignet für moderne 5G-Technologie

SiC-Halbleiter sind ebenfalls ideal. Ultraschnelle Netzwerke benötigen enorme Leistungsmengen, insbesondere von Infrastrukturkomponenten wie Sendestationen. Um Smartphones schneller aufzuladen, könnten Hersteller zukünftig SiC-Halbleiter einsetzen. Darüber hinaus eignen sich die neuen Halbleiter ideal für kabellose Ladegeräte und Server in Rechenzentren.  
 
 

Unendliche Möglichkeiten

SiC-Halbleiter ebnen den Weg zur Digitalisierung industrieller Prozesse. So lassen sich beispielsweise Prozesse, die besonders hohe Geschwindigkeiten von der Leistungselektronik erfordern, durch schnellere Sensorsysteme besser unterstützen. Auch der Einsatz von 5G-fähigen Mobilgeräten auf Basis von SiC-Halbleitern bietet großes Potenzial für die weitere Optimierung von Industrie 4.0.

 

412 Milliarden Dollar

Der Umsatz der gesamten Halbleiterindustrie im letzten Jahr. SiC-Halbleiter bleiben ein Nischenprodukt mit einem Umsatz von rund 500 Millionen US-Dollar. Branchenexperten erwarten jedoch, dass Elektrofahrzeuge ein rasantes Umsatzwachstum von 10 bis 25 % jährlich zwischen 2020 und 2022 und von über 40 % bis 2023 bewirken werden.  
 
Grundsätzlich bestehen alle Halbleiter aus Kristallen, die aus Pulver (wie Silizium oder Siliziumkarbid) bei sehr hohen Temperaturen hergestellt werden. Die Kristalle werden anschließend in dünne Scheiben, sogenannte Wafer, geschnitten. Auf diese Wafer lassen sich sehr komplexe elektronische Schaltungen aufbringen, wodurch letztendlich mikroelektronische Bauelemente entstehen.  Herstellung neuer SiC-Halbleitermaterialien  
  mehr als 50 Jahre  
Es wurden umfangreiche Forschungsarbeiten zur Herstellung von Siliciumcarbid-Halbleitern und zum Wachstum von Siliciumcarbid-Kristallen durchgeführt. Das Kristallwachstum von Siliciumcarbid erfolgt hauptsächlich mittels physikalischer Dampftransportabscheidung (PVT). Dabei werden kleine Siliciumcarbid-Kristalle bei hohen Temperaturen und niedrigen Drücken erzeugt. Die Partikel passieren das Trägergas und gelangen so zum kühleren Impfkristall, wo die Kristallisation aufgrund von Übersättigung stattfindet.

 

2400 Grad Celsius

Dies ist für den Wachstumsprozess von Siliciumcarbid-Einkristallen notwendig. Im Gegensatz dazu benötigen herkömmliche Siliciumkristalle lediglich Temperaturen von etwa 1,500 Grad.

 

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Die Brenndauer ist die Zeit, die benötigt wird, um Siliziumkarbidkristalle im Ofen zu züchten. Dies ist, zusammen mit dem deutlich höheren Energieverbrauch, einer der Gründe, warum sie teurer sind als herkömmliche Siliziumkristalle, die in zwei Tagen gezüchtet werden können.

 

Durchmesser 150mm

Dies entspricht der Größe aktueller Siliziumkarbid-Wafer. Schon bald werden SiC-Wafer mit einem Durchmesser von 200 mm industriell gefertigt. Damit erreichen sie die Standards der traditionellen Siliziumindustrie und stellen einen Durchbruch bei SiC-basierten Elektronikprodukten dar.