Siliziumkarbid-Substrat für Leistungsanwendungen

Substrate aus Siliziumkarbid (SiC) sind aufgrund ihrer überlegenen Eigenschaften schnell zu einem wesentlichen Element in Leistungsgeräten geworden. Im Vergleich zu herkömmlichen Siliziumwafern weisen SiC-Substrate eine bessere Wärmeleitfähigkeit auf und können höheren elektrischen Durchbruchsfeldern standhalten als ihre Silizium-Gegenstücke.

SiC kann zu verschiedenen kristallinen Strukturen geformt werden, die als Polytypen bekannt sind; drei der am häufigsten verwendeten Halbleiteranwendungen betreffen 3C-SiC und 4H-SiC Materialien.

Hohe Wärmeleitfähigkeit

Siliziumkarbid (SiC) ist ein effektives Halbleitermaterial mit breiter Bandlücke, das zahlreiche Vorteile für Stromversorgungsanwendungen bietet, z. B. kann es höhere Temperaturen und Spannungen effektiver bewältigen und dank seiner höheren Wärmeleitfähigkeit die Wärme schneller ableiten, wodurch der Bedarf an Kühlsystemen sinkt und kleinere, kompaktere Geräte möglich werden.

Viele Hersteller verwenden SiC-Substrate in ihren Produktionsprozessen, obwohl sich deren große Abmessungen als Herausforderung für die Verarbeitbarkeit erweisen können - was sich möglicherweise auf die Spalt- und Bearbeitungsleistung auswirkt und zu minderwertigen Wafern führt, die sich negativ auf die Leistung der Geräte auswirken können.

Kürzlich haben Forscher der Osaka Metropolitan University Graduate School of Engineering zum ersten Mal nachgewiesen, dass 3C-SiC eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, die der von Diamant entspricht. Mithilfe von Analysetechniken auf atomarer Ebene stellten die Forscher fest, dass die nach Diamant zweiteinfachste Kristallstruktur dieses Materials eine außergewöhnliche Wärmeleitfähigkeit unter den Materialien mit großem Durchmesser aufweist.

Das Team entdeckte, dass die Wärmeleitfähigkeit von SiC von der mittleren freien Weglänge der Phononen abhängt, die die Kollisionen der wärmeübertragenden Phononen misst. Dieser Weg kann durch Faktoren wie Korngröße, Legierungselemente, Verunreinigungen, Leerstellen und Kristalldefekte - einschließlich Stapelfehlern - beeinflusst werden, doch durch die Kontrolle von Stapelfehlern kann er gesteuert und die Wärmeleitfähigkeit verbessert werden.

Hohe Festigkeit

Die Festigkeit von Siliziumkarbid nimmt bei steigenden Temperaturen nicht ab, insbesondere nicht bei der in fester Phase gesinterten Version (SSiC), die sowohl die Mohs-Härte von 9,5 als auch die elektrische Halbleitung beibehält. Darüber hinaus ermöglicht seine Korrosions-, Abrieb- und Erosionsbeständigkeit die Herstellung von Bauteilen, die für anspruchsvolle Umgebungen in Anwendungen wie 3D-Druck, Ballistik, Energietechnik, Papierherstellung, chemische Verarbeitung, Pumpen und Motorenteile ausgelegt sind.

Aufgrund seiner geringen thermischen Ausdehnung ist SSiC ein ausgezeichnetes Material für Spiegel in astronomischen Teleskopen. Durch sein geringes Gewicht und seine Steifigkeit sind Teleskopspiegel bis zu 3,5 m (11 ft) möglich. Im Vergleich zu Metallspiegeln ist es viel leichter, einfacher zu handhaben und reflektiert besser.

Aufgrund seiner isolierenden Eigenschaften kann Siliziumkarbid in Leistungshalbleitern eingesetzt werden, wo es durch seine höhere Effizienz als herkömmliche Siliziummaterialien dazu beiträgt, Leistungsgeräte energieeffizienter zu machen. Insbesondere bietet es Eigenschaften mit großer Bandbreite bei hohen Strömen und Spannungen, um Schaltverluste und Energieverluste in Stromübertragungssystemen zu minimieren. Systeme zum Aufladen von Elektrofahrzeugen und zur Erzeugung erneuerbarer Energien profitieren in hohem Maße von Hochspannungsschaltgeräten, die den Wirkungsgrad der Stromumwandlung optimieren, die Reichweite erhöhen, die Ladezeiten verkürzen und eine effiziente Stromumwandlung gewährleisten. Sie verbessern auch die Leistung von Hochspannungsgeräten für die Leistungselektronik, indem sie die Lebensdauer verlängern und die Stromkapazität erhöhen - besonders wichtig, wenn man die rauen Umgebungsbedingungen berücksichtigt.

Niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient

Siliziumkarbid ist ein extrem hartes und widerstandsfähiges Material mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und einer hohen Korrosionsbeständigkeit, was es perfekt für anspruchsvolle Anwendungen wie 3D-Druck, Ballistik und Papierherstellung macht. Außerdem ist Siliziumkarbid ungiftig und hat ein gutes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht.

Der Amerikaner Edward G. Acheson entdeckte Siliziumkarbid zufällig bei dem Versuch, künstliche Diamanten zu synthetisieren. Beim Erhitzen einer Mischung aus Ton und Kokspulver in einer Eisenschüssel mit einer Kohleelektrode bei hohen Temperaturen bildeten sich leuchtend grüne Kristalle, die eine ähnliche Härte wie Diamant aufwiesen. Er nannte diese neu entstandene Verbindung Carborundum, aus dem später SiC wurde.

Siliziumkarbidkeramik kann durch verschiedene Sinterverfahren in Formen gebracht werden, die je nach den Eigenschaften des Substratmaterials variieren. Heißpresssintern und Direktsintern sind zwei weit verbreitete Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbid-Substraten mit unterschiedlichen Widerstandswerten: Halbisolierende Substrate haben niedrige Widerstandswerte, während n-Typ-Siliciumcarbide niedrigere Widerstandswerte aufweisen.

Optische Komponenten aus Siliziumkarbid werden in allen Industriezweigen immer beliebter, doch die Festigkeit, das Spannungsniveau und andere Konstruktionsparameter hängen vom verwendeten Herstellungsverfahren ab. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, dass Sie bei der Auswahl des geeigneten Siliziumkarbid-Substrats für Ihre Anwendung dessen Feinheiten genau kennen.

Niedriger spezifischer Widerstand

Siliziumkarbid kann extrem hohen Temperaturen standhalten, ohne mit Säuren oder Laugen zu reagieren, und ist gleichzeitig resistent gegen mechanische Beanspruchung und Rissbildung - Eigenschaften, die es zu einem idealen Werkstoff für Gleitringdichtungen machen, die unter extremen Temperaturen und Belastungen arbeiten müssen.

Der niedrige elektrische Widerstand von Siliziumkarbid macht es für viele Anwendungen geeignet, z. B. für Geräte der Leistungselektronik und Teile der Halbleiterverarbeitung. Außerdem weist es eine geringere Wärmeleitfähigkeit als Saphir auf und kann in verschiedenen Polytypen hergestellt werden, die eine Kontrolle des elektrischen Widerstands ermöglichen.

Siliciumcarbid ist ein Halbleitermaterial, so dass durch Dotierung leicht eine n- oder p-Struktur erzeugt werden kann. Für die Dotierung werden in der Regel Stickstoff oder Phosphor verwendet, während für die p-Typ-Dotierung Beryllium, Bor oder Aluminium zum Einsatz kommen. Die Dotierungsoptionen helfen bei der Kontrolle des elektrischen Widerstands, wodurch poröses Siliciumcarbid in verschiedenen Anwendungen vorteilhafter wird.

Die kristalline Struktur von Siliciumcarbid trägt auch zu seinem geringen elektrischen Widerstand bei, da sie leitende Pfade zwischen Kohlenstoff- und Siliciumatomen ermöglicht. Darüber hinaus macht diese Struktur Siliciumcarbid isotrop, d. h. seine elektrischen und thermischen Eigenschaften bleiben über seine Abmessungen hinweg konstant, was eine bessere Kontrolle über den spezifischen Widerstand in porösen Siliciumcarbidprodukten ermöglicht.