Leistungsbauelemente auf SiC-Substraten

Die hervorragende Wärmeleitfähigkeit sowie die Beständigkeit gegenüber hohen Temperaturen und Stromstärken machen das SiC-Substrat zu einer ausgezeichneten Materialwahl für Leistungsbauelemente, wobei die Kosten, die 40%-50% der Endkosten pro Chip ausmachen, die zu realisierenden Einsparungen darstellen. Diese Einsparungen dürfen jedoch nicht ausschließlich auf Kosten der Materialkosten gehen; weitere Einsparungen müssen an anderer Stelle erzielt werden.

Soitec sorgte auf der CS International 2023 für Aufsehen, als das Unternehmen sein bahnbrechendes SmartSiC-Verfahren vorstellte, bei dem Mono-SiC-Donor-Wafer dauerhaft auf Poly-SiC-Trägersubstrate aufgebracht werden.

Leistungsstarke Geräte

Leistungshalbleiter auf SiC-Basis bieten eine wichtige Lösung zur Verbesserung der Energieeffizienz in Elektrofahrzeugen (EVs), Windkraftanlagen und weiteren Anwendungen. Durch die Reduzierung der Bauelementverluste ermöglichen SiC-Leistungshalbleiter höhere Schaltfrequenzen und Spannungen bei gleichzeitig geringerer Wärmeabgabe. Dank ihrer hohen Temperaturstabilität und niedrigen Ladungsträgerkonzentrationen gewährleisten sie maximale Lebensdauer unter rauen Umgebungsbedingungen; ihre große Bandlücke schützt sie zudem vor elektrischen Durchschlagfeldern.

In der Vergangenheit haben große Unternehmen wie Infineon Technologies, Wolfspeed und Onsemi den Markt für SiC-Leistungsbauelemente dominiert; mit dem Aufkommen von Elektrofahrzeugen (EVs) verlangen die Verbraucher jedoch zunehmend nach leistungsstärkeren Bauteilen, die kleiner und effizienter sind als herkömmliche Silizium-Bauteile.

Hersteller benötigen bessere und langlebigere SiC-Leistungsbauelemente, um die Nachfrage zu decken, was neue Arten von p-SiC-Substraten erfordert. Aufgrund dieses Trends hat sich der Markt für speziell entwickelte Substrate für die Leistungselektronik zu einem wachsenden Markt entwickelt; diese Substrate kombinieren einen Poly-SiC-Trägerwafer mit einer Mono-SiC-Deckschicht sowie einer dünnen Schicht aus Isoliermaterial und sind in den Wafergrößen 150 mm und 200 mm erhältlich.

Diese technisch hergestellten Substrate basieren auf einer ähnlichen Technologie wie SOI. Dabei wird eine Poly-SiC-Basisschicht mit einer Mono-SiC-Deckschicht verbunden; in der Regel handelt es sich dabei um ein 4H-SiC-Einkristall, das für die Massenproduktion auf einen Trägerwafer aufgebracht wird und die vorgegebenen Anforderungen hinsichtlich elektrischer spezifischer Widerstandsfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Wiederholgenauigkeit erfüllt.

Elektrofahrzeuge

Leistungselektronik auf Siliziumkarbidbasis (SiC) wird seit langem in Elektrofahrzeugen (EVs) eingesetzt, um den Wirkungsgrad zu steigern, die Leistung zu erhöhen, die Reichweite zu verlängern und die Ladezeiten zu verkürzen – und dabei Energie zu sparen sowie gleichzeitig die Treibhausgasemissionen zu senken. Aufgrund ihrer hervorragenden Materialeigenschaften und ihres Status als Halbleiter mit großer Bandlücke spielen SiC-Umrichter eine entscheidende Rolle bei der Energieeinsparung und der Verringerung der Treibhausgasemissionen.

Bis vor kurzem wurde das Wachstum des Marktes für Elektrofahrzeuge jedoch durch die begrenzte Verfügbarkeit und die hohen Kosten von SiC-Bauelementen eingeschränkt. Ein wesentlicher Faktor für diese Kosten sind die Anforderungen an die Substrate – diese müssen geeignete Keimschichten für das epitaktische Wachstum bereitstellen und gleichzeitig den Widerstand in den Bauelementen verringern; herkömmliche Substrate, die häufig auf isolierenden Wafern aufgebracht werden, weisen oft einen zu hohen Widerstand auf, was die Leistung von Leistungsbauelementen einschränkt.

SmartSiC-Substrate ermöglichen durch die Bearbeitung einzelner Wafer erhebliche Kosteneinsparungen und sind zuverlässiger und langlebiger als Mono-SiC-Substrate, bei denen es während der Waferbearbeitung zu Rissen kommen kann. Darüber hinaus eignet sich dieser Substrattyp besser für schnelle Metallisierungsprozesse bei Bauelementen.

Automobilhersteller und Zulieferer, die auf der Suche nach SmartSiC mit geringem Widerstand sind, sollten mit einem vertikal integrierten Anbieter zusammenarbeiten, der alle Produktionsschritte – vom Züchten des Rohsubstrats bis zur Fertigung der fertigen Bauelemente – abdeckt, um qualitativ hochwertige Ergebnisse zu gewährleisten und im Falle von Problemen gegenseitige Schuldzuweisungen zwischen verschiedenen Anbietern zu vermeiden.

Solarwechselrichter

Solarwechselrichter dienen dazu, erneuerbare Energiequellen an das Stromnetz anzuschließen. Sie wandeln die Gleichstromenergie der Solaranlage in Wechselstrom um, der über die Übertragungsleitungen eines Energieversorgungsunternehmens transportiert werden kann. Dadurch entfallen Transformatoren, die Platz und Energie verbrauchen, was sowohl Kosten als auch Platz spart. Darüber hinaus ermöglichen Batteriespeichersysteme eine effizientere Nutzung erneuerbarer Energien und sorgen für eine gleichmäßigere Verteilung sauberer Energie in der Gesellschaft.

Derzeit kommen in PV-Wechselrichtern Silizium (Si)-Bauelemente wie IGBTs zum Einsatz; allerdings stoßen diese bei höheren Schaltfrequenzen an ihre Leistungsgrenzen und weisen hohe Ausschaltverluste auf. Um diese Probleme zu beheben, setzen die Hersteller zunehmend auf Halbleiter aus Siliziumkarbid (SiC).

SiC-FETs zeichnen sich durch große Bandlücken aus, die den Energieverlust bei Schaltvorgängen deutlich verringern, wodurch sie sich ideal für Solarwechselrichter eignen, die in der Regel mit höheren Frequenzen und Spannungen betrieben werden. Darüber hinaus ermöglicht ihr geringer Durchlasswiderstand hohe Wirkungsgrade selbst bei höheren Schaltströmen.

Auf diese Weise können sie dazu beitragen, die mit Solarwechselrichtern verbundenen Kosten zu senken. Eine typische 1500-V-PV-String-Wechselrichterlösung von Infineon mit SiC-MOSFETs mit aktiver Neutralpunktklemmung (ANPC) arbeitet mit 48 kHz und ist auf Basis der Kosten pro kW fünf bis zehn Prozent günstiger als vergleichbare Designs mit IGBTs.

Windkraftanlagen

Windkraftanlagen wandeln Windenergie mithilfe eines mechanischen Rotors, der sich durch den Luftstrom in Drehung versetzt, in Strom um. Diese Bewegung wird dann auf die Welle eines elektrischen Generators übertragen, der Energie erzeugt. An der Spitze jedes Turms befindet sich die Gondel, in der weitere wichtige Komponenten untergebracht sind, darunter Antriebsstränge, Leistungselektronik und eine Schnittstelle zum Netzanschluss.

Substrate aus Siliziumkarbid (SiC) bieten den in diesen Systemen eingesetzten Leistungshalbleiterbauelementen einen entscheidenden Vorteil. Ihre große Bandlücke ermöglicht den Einsatz höherer Spannungen, was dazu beiträgt, die Verluste in den Anlagen zu verringern und den Wirkungsgrad zu steigern, während ihre hervorragende Wärmeleitfähigkeit die Baugröße der Komponenten und die Betriebstemperaturen senkt und so kompakte Konstruktionen mit höherer Energieeffizienz ermöglicht.

SiC treibt den Fortschritt bei Anlagen für grüne Energie voran, wie beispielsweise Solarwechselrichter und Windkraftanlagen-Umrichter, die den weltweiten Übergang zu erneuerbaren Energiequellen unterstützen. Diese Systeme sind für die weltweiten Bemühungen, die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern, von entscheidender Bedeutung.

SiC war aufgrund von Verfügbarkeits- und Kostenproblemen lange Zeit in seiner Anwendung als Leistungshalbleitermaterial eingeschränkt. Doch nun, da mehrere Anbieter ihre Kapazitäten in einer Phase des zunehmend schwierigen Übergangs zu größeren Wafergrößen ausbauen und Hersteller wie Soitec Produkte ohne Mikrorohre anbieten, sieht die Zukunft für SiC-Leistungshalbleiter vielversprechend aus.