1.Einführung in Siliziumkarbid

Siliziumkarbid, eine synthetische Verbindung aus Silizium und Kohlenstoff, hat sich als revolutionäres Material in der modernen Fertigung erwiesen. Siliziumkarbid wurde erstmals 1891 von Edward Acheson synthetisiert und vereint außergewöhnliche thermische, elektrische und mechanische Eigenschaften, was es für Hochleistungsanwendungen von der Leistungselektronik bis zur Luft- und Raumfahrt unverzichtbar macht.

2. Wichtige Eigenschaften von Siliziumkarbid

2.1 Strukturelle und physikalische Eigenschaften

‌Kristallstruktur‌: Existiert in über 250 Polytypen (z. B. 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC), wobei 4H-SiC die Halbleiteranwendungen dominiert.

Härte: 9,5 auf der Mohs-Skala, nur Diamanten haben mehr Härte.

‌Wärmeleitfähigkeit‌: 120–200 W/m·K, übertrifft Kupfer bei der Wärmeableitung.

‌Schmelzpunkt‌: ~2.700 °C, geeignet für extreme Umgebungen.

2.2 Elektrische Eigenschaften

‌Große Bandlücke‌: 3,26 eV (4H-SiC) gegenüber 1,12 eV bei Silizium, wodurch ein Betrieb bei hohen Spannungen und hohen Temperaturen möglich ist.

‌Durchbruchfeld‌: 10x höher als Silizium, wodurch Energieverluste reduziert werden.

2.3 Chemische Stabilität

Oxidations-, säure- und laugenbeständig bis 1.600 °C.

3. Branchenübergreifende Anwendungen von Siliziumkarbid

Branchenspezifische Anwendungsfälle:

Halbleiter‌ Leistungsbauelemente (MOSFETs, Schottky-Dioden), 5G/RF-Komponenten 

‌Automotive‌ EV-Wechselrichter: Bordladegeräte (z. B. SiC-Traktionswechselrichter für Tesla Model 3) 

‌Energie‌ Solarwechselrichter: Konverter für Windturbinen, Sensoren für Kernreaktoren 

‌Luft- und Raumfahrt‌ Satellitenkomponenten: Thermische Beschichtungen für Strahltriebwerke 

‌Industrielle‌ Schneidwerkzeuge: Schleifmittel, feuerfeste Auskleidungen 

4.Verarbeitungstechniken und Herausforderungen

4.1 Wichtige Fertigungsschritte

‌Kristallwachstum‌: Sublimation (PVT) für Massenkristalle.

CVD für epitaktische Schichten.

‌Wafer-Verarbeitung‌: Diamantdrahtschneiden, chemomechanisches Polieren.

‌Geräteherstellung‌: Ionenimplantation, Trockenätzen.

4.2 Technische Barrieren

‌Waferbogen‌: Für 150-mm-Wafer ist eine Krümmung von <50 μm erforderlich.

‌Ausbeuteraten‌: ~60 % für 200 mm SiC-Epitaxieschichten (Branchendurchschnitt Q1 2025).

5. Zukünftige Trends in der SiC-Technologie (Ausblick 2025–2030)

‌Einführung von 8-Zoll-Wafern‌: Prognosen zufolge werden die Gerätekosten bis 2028 um 35 % gesenkt.

‌Quantenanwendungen‌: SiC-Stellenangebote für Quantencomputer bei Raumtemperatur.

‌Globaler Kapazitätsausbau‌: Chinas SiC-Produktion soll bis 2027 einen Marktanteil von 40 % erreichen.

6. Fazit

Die einzigartigen Eigenschaften von Siliziumkarbid machen es zu einem Grundmaterial für nachhaltige Technologien. Das Verständnis des Unterschieds zwischen hochreinem und konventionellem SiC – und ihrer jeweiligen Rolle in der Leistungselektronik gegenüber industriellen Systemen – ist entscheidend für die Optimierung von Design- und Fertigungsstrategien. Während die Branche in Richtung 8-Zoll-Wafer und neuartiger Anwendungen voranschreitet, werden kontinuierliches Lernen und Prozessinnovation weiterhin unerlässlich sein.