SiC-Halbleiter: Schlüsseltechnologie zur effizienten und nachhaltigen Elektronik
Wo Silizium an seine physikalischen Grenzen stößt, eröffnet Siliziumkarbid neue Möglichkeiten und finden daher vor allem in der Leistungselektronik zunehmend Verwendung. Die Eigenschaften, die die Leistung elektronischer Bauteile optimieren und gleichzeitig die Umwelt beitragen, sprechen für sich.
Die Besonderheiten von SiC-Halbleitern sind vielfältig und umfassen:
- Eine 3-fach höhere Bandlücke: Mit einer Bandlücke von 3,26 eV ermöglicht Siliziumkarbid eine effizientere elektronische Leistung und eine bessere Leistungsfähigkeit bei hohen Temperaturen im Vergleich zu 1,11 eV bei Silizium.
- Eine 10-fache elektrische Durchbruchfeldstärke: Dies bedeutet, dass Siliziumkarbid höhere Spannungen ohne Durchbruch oder Schäden aushalten kann, was die Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit erhöht.
- Eine 2x höhere Elektronendriftgeschwindigkeit: Dies ermöglicht schnellere Schaltfrequenzen und reduziert Energieverluste, was insbesondere in der Leistungselektronik von Vorteil ist.
- Eine 3-mal bessere Wärmeleitfähigkeit als bei Silizium: Diese verbesserte Wärmeableitung trägt zu einer effizienteren Wärmeabfuhr bei, was wiederum die Betriebstemperatur senkt und die Lebensdauer der Bauteile erhöht.
- Die Fähigkeit, Temperaturen von über 250° C zu tolerieren: Diese hohe Temperaturbeständigkeit erweitert die Einsatzmöglichkeiten von Siliziumkarbid in Umgebungen mit extremen Temperaturen, wie beispielsweise in Hochleistungselektronik oder in der Automobilindustrie.
SiC vs. Si
Welche Industrien profitieren?
Verschiedene Industrien profitieren von den technischen Eigenschaften von SiC-Halbleitern und nutzen deren Potenzial in vielfältiger Weise:
- In der Leistungselektronik, insbesondere in Elektrofahrzeugen und erneuerbaren Energien wie Solar- und Windkraftanlagen, kommen SiC-Halbleiter zum Einsatz. Die überlegenen Eigenschaften dieses Materials tragen zu einer effizienteren Nutzung und Umwandlung von Energie bei.
- Aufgrund ihrer thermischen Eigenschaften sind SiC-Halbleiter auch ideal für Elektrobauteile in Extrembedingungen geeignet, was sie für Branchen wie die Luft- und Raumfahrtindustrie sowie die Öl- und Gasindustrie attraktiv macht.
- SiC-Halbleiter spielen eine wichtige Rolle bei der Energieumwandlung in erneuerbaren Energien und industriellen Prozessen, was zu einer effizienteren Nutzung von elektrischer Energie führt und die Umweltbelastung verringert.
- Sogar in elektronischen Ladegeräten für Mobiltelefone und anderen Geräten werden SiC-Halbleiter genutzt, um die Ladegeschwindigkeit zu verbessern und die Effizienz zu steigern.
Insgesamt ermöglichen die verbesserten Eigenschaften von SiC-Halbleitern eine leistungsfähigere Nutzung elektrischer Energie und tragen zur Entwicklung fortschrittlicher Technologien in verschiedenen Branchen bei.
Wo wird SiC-Technologie verwendet
Wie verbreitet sind SiC-Halbleiter?
In Bezug auf die Massentauglichkeit lässt sich sagen, dass SiC-Halbleiter in einigen Anwendungen wie Leistungsmodule und Transistoren kommerziell eingesetzt werden und vor allem in der Industrie und auch in Elektrofahrzeugen verwendet werden. Es ist allgemein bekannt, dass SiC-Halbleiter teurer sind als ihre Si-Halbleiter. Durch die kleinere Bauweise und das geringere Wärmemanagement bei SiC-Produkten können die Gesamtkosten gesenkt werden. Die Technologie und Produktion von SiC-Halbleitern entwickeln sich weiter und wird zukünftig zu einer noch kosteneffizienteren Herstellung und damit breiteren Anwendung führen. Laut einer Marktstudie von Yole Intelligence aus 2023 wir der SiC-Markt für Leistungshalbleiter im Jahr 2028 auf einen Umsatz von über 9 Milliarden Dollar wachsen.
Effizienz schont Umwelt
Mit der Reduzierung von CO2-Emissionen ist Siliziumkarbid auch in Umweltangelegenheiten relevant. Auf Chip-Ebene können durch die höhere elektrische Feldstärke von Siliziumkarbid die Bauteile kleiner dimensioniert werden – trotz eines höheren Wirkungsgrads bei der Leistungsumwandlung. Je nach Einsatzgebiet erwarten Experten eine Energieeinsparung von bis zu 30 Prozent im Vergleich zu herkömmlichen Silizium-Chips.
Zudem kommt, dass auf Produktebene Elektronikgeräte, die auf SiC-Chips setzen, weniger oder sogar keine Kühlsysteme mit verbauen müssen. Silizium-Chips müssen in der Regel bereits bei Temperaturen von 90° C gekühlt werden, um optimal zu funktionieren. Wohingegen das Siliziumkarbid-Pendant erst bei 250° C gekühlt werden muss und durch die 3-mal bessere Wärme-Leitfähigkeit nicht leicht über die 90° C-Marke gelangt.
Die Batch-Spray-Technologie bietet im Vergleich zu Nassbänken erhebliche Einsparungen an Chemikalien, Wasser und Energie. Siconnex hat mit seiner eigenen BATCHSPRAY® Technologie neue Maßstäbe gesetzt. Dank eines zusätzlichen rezirkulierenden Systems werden weitere Prozessmedien eingespart, während die Rotation des Batches um die eigene Achse ein gleichmäßiges Sprühmuster gewährleistet. Die Ergebnisse sind mit den der Single-Wafer-Verarbeitung vergleichbar. Durch eigens entwickelte Prozesse wie sicOzone oder perc können Chemikalien wie Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid vollständig vermieden oder eine 100%ige Polymerentfernung bei Reinigungsprozessen erreicht werden.