Warum Siliziumkarbid-Halbleiter eine große Zukunft haben

Sie sind klein, leistungsfähig und extrem effizient: Halbleiter aus Siliziumkarbid könnten die Leistungselektronik in Batterien und Sensoren auf eine neue Stufe heben und so den Durchbruch der Elektromobilität und die Digitalisierung in der Industrie maßgeblich unterstützen. Die Vorteile im Überblick.

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Halbleiter auf Basis von Siliziumkarbid (SiC) verarbeiten Strom in einigen Bereichen effizienter als herkömmliche Halbleiter. Besonders für die Hersteller von Elektroautos ist die neue Technologie besonders interessant: Denn die durch SiC-Halbleiter verbesserte Batteriesteuerung hilft, Energie zu sparen und dadurch die Reichweite von Elektroautos stark zu erhöhen. Auch schnelleres Laden wird durch SiC-basierte Halbleiter ermöglicht. Schon heute stecken eine Vielzahl von Halbleitern in jedem Elektrofahrzeug. In Zukunft könnte vor allem die SiC-basierte Variante auf dem Vormarsch sein. Denn sie spielt ihre Stärken vor allem in Sachen Schaltgeschwindigkeit, Wärmeverlust und Baugröße aus. Auch andere Unternehmen wie etwa Betreiber von Mobilfunknetzen, Smartphone-Hersteller und die Automatisierungsindustrie setzen große Hoffnungen in die winzigen Chips.

Vorteile und Anwendungsgebiete von SiC-Halbleitern

10 Mal

kleiner als herkömmliche Silizium-Halbleiter können SiC-Halbleiter für Leistungselektronik gefertigt werden. Das geht, weil sie eine größere sogenannte Bandlücke besitzen. Dadurch lässt sich unter anderem Strom mit einem geringeren Wärmeverlust umwandeln. Ein Silizium-Halbleiter schafft die gleiche Leistung nur, wenn er deutlich größer ist.

Um bis zu 50 Prozent

weniger Wärme geht bei SiC-Halbleitern im Vergleich zu gängigen Silizium-Halbleitern verloren. Ein wichtiges Einsatzfeld der SiC-Halbleiter liegt deswegen in der Leistungselektronik, also dem Umwandeln von Strom. Halbleiter können Strom so umwandeln, dass ein Gerät ihn verwenden kann. Bei einem Laptop beispielsweise sind die Halbleiter im Transformator des Ladegeräts versteckt. Bislang werden vor allem Silizium-Halbleiter verbaut, die allerdings viel Energie als Wärme abgeben. Mit Siliziumkarbid-Halbleitern würde deutlich weniger verloren gehen und mehr Energie zum Laden zur Verfügung stehen.

Um 300 bis 500 Prozent

können SiC-Transistoren die Schaltfrequenz gegenüber Silizium-Transistoren steigern. Auch deshalb lassen sich mit SiC-Halbleitern deutlich kleinere Lösungen bauen.

10 bis 15 Prozent

mehr Reichweite sollen Elektroautos durch den Einsatz von Siliziumkarbid-Halbleitern erlangen, da diese die Energie effizienter umwandeln können. Im Ergebnis können Autobauer in ihren Elektrofahrzeugen kleinere Batterien verbauen. Das lohnt sich für Autohersteller doppelt und könnte einen Schub für die Industrie bringen.

Für die moderne 5G-Funktechnologie

sind SiC-Halbleiter ebenfalls gut geeignet. Das ultraschnelle Netz verlangt vor allem der Infrastruktur, also den Sendestationen künftig viel Leistung ab. Aber auch um Smartphones schneller wieder aufzuladen, könnten Hersteller zukünftig auf SiC-Halbleiter zurückgreifen. Darüber hinaus ist die neue Halbleiterklasse auch für kabellose Ladegeräte oder das Unterhalten von Servern bestens geeignet.

Ganz neue Möglichkeiten

eröffnen die SiC-Halbleiter auch für die Digitalisierung industrieller Prozesse. So können Prozesse mit besonders hohen Anforderungen an die Schnelligkeit der Leistungselektronik besser unterstützt werden, etwa durch schnellere Sensorsysteme. Auch der Einsatz von 5G-gesteuerten mobilen Geräten auf Basis von SiC-Halbleitern bringt großes Potenzial für weitere Optimierungen der Industrie 4.0.

Rund 412 Milliarden US-Dollar

betrug der Umsatz der gesamten Halbleiterindustrie im vergangenen Jahr. SiC-Halbleiter sind mit rund 500 Millionen US-Dollar zwar noch eine kleine Nische. _Neuesten Schätzungen von Experten zufolge wird der Umsatz aber schnell steigen – zwischen 2020 und 2022 um 10 bis zu 25 Prozent pro Jahr, ab 2023 durch die Elektromobilität sogar um mehr als 40 Prozent.

Grundsätzlich werden alle Halbleiter aus Kristallen hergestellt. Diese entstehen unter großer Hitze aus einem Pulver, beispielsweise aus Silizium oder Siliziumkarbid. Anschließend werden die Kristalle in Scheiben geschnitten, zu sogenannten Wafern. Auf ihnen lassen sich sehr komplexe elektronische Schaltkreise aufbringen, aus denen am Ende das mikroelektronische Bauteil besteht.

In der Produktion stellen SiC-Halbleiter jedoch deutlich höhere Anforderungen an die Komponenten als die konventionellen Halbleiter. Da sowohl die Züchtung der Kristalle als auch die Herstellung des benötigten Pulvers unter enorm hohen Temperaturen und höchstreinen Bedingungen stattfindet, benötigen die Öfen besonders widerstandsfähige Komponenten. Die SGL Carbon ist hierbei weltweit führend mit ihren hochreinen hitze- und korrosionsbeständigen Graphitbauteilen, die sowohl bei der Herstellung von SiC-Pulvern als auch bei der Züchtung der SiC-Kristalle zum Einsatz kommen. Beispielsweise sind das Hitzeschildrohre, Graphittiegel und -heizer sowie spezielle Graphitfilze zur thermischen Isolation.

Herstellungsverfahren des neuartigen Halbleitermaterials

Seit über 50 Jahren

wird an der Produktion von Siliziumkarbid-Halbleitern und der Züchtung von Siliziumkarbid-Kristallen geforscht. Hergestellt werden sie meist mit dem Physical-Vapor-Transport-Verfahren (PVT). Dabei werden unter hohen Temperaturen und niedrigem Druck einzelne kleine Siliziumkarbid-Kristalle hergestellt. Die entstehenden Partikel gelangen anschließend in einem Trägergas zum kühleren Impfkristall, wo die Kristallisation aufgrund von Übersättigung stattfindet.

2.400 Grad Celsius

braucht es für diesen Prozess. Die  Graphitbauteile, die die SGL Carbon für die Öfen liefert, müssen höchst rein sein, um die entstehenden Kristalle nicht durch kleinste Verunreinigungen nutzlos zu machen. Für normale Siliziumkristalle reichen hingegen rund 1500 Grad Celsius aus.

10 bis 14 Tage

dauert allein die Züchtung der Siliziumkarbid-Kristalle im Ofen. Das ist neben dem deutlich höheren Energieaufwand einer der Gründe, warum sie teurer sind als gewöhnliche Silizium-Kristalle. Diese werden in nur zwei Tagen gezüchtet.

150 Millimeter Durchmesser

haben die neuesten Wafer aus Siliziumkarbid bereits. Sehr bald werden SiC-Wafer mit 200 Millimeter Durchmesser im großtechnischen Maßstab hergestellt. Damit werden sie eine Größe erreicht haben, die in der „klassischen“ Silizium-basierten Industrie ein Standard ist und somit den Durchbruch der SiC basierten Elektronik erst richtig ermöglichen.

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