Chiphersteller, Automobilkonzerne und Unternehmer vieler Branchen interessieren sich bei dem Wide-Bandgap-Halbleiter Siliziumkarbid für Eigenschaften wie die hohe thermische Stabilität, Leitfähigkeit und Durchbruchspannung. (Bild: SiCrystal GmbH)
SiC: Technologie, Effizienz, Miniaturisierung
Elektronik für die Zukunft - Vor dem Hintergrund der globalen Erwärmung, die insbesondere künftige Generationen bedroht, steigt die Nachfrage nach energieeffizienten Geräten. Der Einsatz der SiC-Technologie führt zu erheblichen Energieeinsparungen und CO₂-Reduzierung. In diesem Kanal informiert ROHM über Schlüsseltechnologien, Produktionsprozesse und Dienstleistungen.
Siliziumkarbid ist das Material der Zukunft in der Halbleiterindustrie
Quer durch alle Branchen gilt Siliziumkarbid (SiC) mit seiner hexagonalen Kristallstruktur, in der sich Silizium- und Kohlenstoffatome regelmäßig abwechseln, als das Material der Zukunft - allen voran in der Halbleiterindustrie, eine der wichtigsten Branchen der modernen Wirtschaft.
Ohne Halbleiter wären innovative Technologien, die wir heute unter anderem in Autos, Smartphones, Solar- und Windkraftanlagen nutzen, undenkbar.
Bauelemente aus dem Halbleiter Siliziumkarbid halten elektrische Spannungen aus, die um ein Vielfaches über dem herkömmlicher Silizium-Bauelemente liegen. Weil SiC zudem Temperaturen von über 600 Grad Celsius verträgt, ohne Schaden zu nehmen, sind diese Bauelemente für Steuerungsaufgaben unter extremen Bedingungen quer durch alle Branchen prädestiniert und entsprechend begehrt.
Diese Vorteile bietet SiC
Obwohl die Eigenschaften von SiC bereits seit Ende des 19. Jahrhunderts bekannt sind, wird dieses Wide-Bandgap (WBG)-Material erst seit relativ kurzer Zeit als Halbleiter verwendet. Im Vergleich zu herkömmlichen Leistungsbauelementen auf Silizium-/Si-Basis zeichnen sich SiC-MOSFETs durch ein elektrisches Feld mit hoher Durchbruchfeldstärke (3 bis 5 MV/cm, fast zehnmal höher als das von Silizium) und ein Bandgap aus, das etwa dreimal höher ist als das von Silizium (3,26 eV gegenüber 1,11 eV).
Darüber hinaus wird das Wärmemanagement durch die Wärmeleitfähigkeit von SiC verbessert, die fast dreimal höher ist als die von Silizium (4,9 W/cm·K) gegenüber 1,5 W/cm·K). Zudem ist der spezifische Widerstand von SiC viel niedriger als der von Silizium (0,3 mΩ/cm2 gegenüber 400 mΩ/cm2 bei einer Durchbruchspannung von 1200 V bei Raumtemperatur). Der Durchlasswiderstand RDS(on) handelsüblicher SiC-Leistungsbauelemente kann bei gleicher Durchbruchspannung um das 300- bis 400-fache niedriger sein als der eines entsprechenden Bauelements auf Siliziumbasis.
Im Vergleich zu ihren Silizium-Pendants können SiC-MOSFETs bei höheren Schaltfrequenzen mit geringeren Leitungs- und Leistungsverlusten arbeiten, was kleinere passive Komponenten in Stromversorgungssystemen sowie kompaktere und leichtere Leistungselektroniklösungen ermöglicht.
Welche Branchen profitieren am meisten von der Verwendung von Bauelementen aus SiC-Substraten?
Siliziumkarbid-Bauelemente werden in verschiedenen Industrieanwendungen eingesetzt, darunter:
- Leistungselektronik: Die Leistungselektronik in Elektrofahrzeugen, erneuerbaren Energien, wie Solar- und Windkraftanlagen, basiert auf dem Einsatz von Siliziumkarbid-Halbleiterwafern. Sie ermöglichen eine höhere Energieeffizienz, höhere Schaltfrequenzen und eine höhere Leistungsdichte im Vergleich zu herkömmlichen Silizium-Halbleitern.
- Elektronik für extreme Bedingungen: Siliziumkarbid-Halbleiterwafer sind aufgrund ihrer hohen thermischen Stabilität und chemischen Beständigkeit ideal für Anwendungen in extremen Umgebungen wie Hochtemperatur und starken elektromagnetischen Feldern. Beispiele hierfür sind die Luft- und Raumfahrtindustrie sowie die Öl- und Gasindustrie.
- Leistungselektronik und Anwendungen, die hohe Schaltfrequenzen benötigen: Siliziumkarbid-Halbleiterwafer werden beispielsweise in Hochfrequenzverstärkern, Hochgeschwindigkeits-Schaltern und Hochfrequenzschaltungen eingesetzt. Sie ermöglichen eine höhere Schaltgeschwindigkeit, niedrigere Verluste und eine bessere Leistungsfähigkeit in diesen Anwendungen.
Wie nutzt die Automobilbranche den Technologietreiber SiC?
Experten sind sich einig: Die Verwendung von Siliziumkarbid-Bauelementen in modularen Wechselrichtern wird den Energiefluss zwischen Batterie und Elektromotor optimieren. Dies ist entscheidend für die Effizienz und Leistung von Elektroautos. Die Automobilbranche sucht ständig nach neuen Wegen, um die Effizienz von Elektrofahrzeugen weiter zu steigern und die Reichweite zu verbessern.
Modulare Wechselrichter sind ein zentrales Bauteil der Leistungselektronik in Elektroautos. Sie steuern den Energiefluss zwischen Batterie und E-Maschine, unabhängig davon, ob der Motor Strom verbraucht oder beim Bremsen zurückspeist. Die Verwendung von Siliziumkarbid-Bauelementen verringert den inneren Widerstand im Wechselrichter und erhöht somit den Wirkungsgrad.
ROHM hat das Potenzial von SiC früh erkannt und setzt auf die Herstellung in Europa
Die japanische ROHM-Gruppe hat das Potenzial von Siliziumkarbid frühzeitig erkannt und seine Wertschöpfungskette gesichert, um sich heute als einer der Marktführer zu etablieren.
Deutsche Kunden profitieren insbesondere von der Herstellung in Europa als Teil einer Multi-Sourcing-Strategie mit Bezugsquellen auf mehreren Kontinenten (USA/Europa/Asien).
Der Kauf der SiCrystal GmbH in Nürnberg im Jahr 2009 war und ist für eine lückenlose Versorgung mit erstklassigem Siliziumkarbid von besonders großer strategischer Bedeutung. SiCrystal ist Inhouse Rohstoff Lieferant des japanischen Mutterkonzerns und das Kompetenzzentrum der ROHM-Gruppe. Hier werden neue Technologien entwickelt, wie das vertikal integrierte Produktionssystem für die Substratherstellung. Die Erfahrung aus Nürnberg rollt der Konzern auf alle anderen Werke weltweit aus.
Hochwertige Siliziumkarbid-Wafer: Meisterstücke der Hightech-Fertigung
Das Ding, um das sich alles dreht, ist simpel betrachtet eine braune, transparente Scheibe mit einem Durchmesser von neuerdings 200 Millimetern und einer Dicke von 0,5 Millimetern – und zwar exakt! Das entspricht gerade einmal dem Durchmesser von zehn menschlichen Haaren. Warum es sich lohnt, ganz genau hinzuschauen, erklärt Dr. Robert Eckstein: "Der große Fortschritt liegt hier im kleinsten Detail."
Wafer müssen den immer anspruchsvolleren Spezifikationen der Kunden entsprechen. Dazu gehören nicht nur die Oberflächenreinheit, kristalline Perfektion, die präzise Dicke, sondern auch der Durchmesser des Wafers - je größer, desto wirtschaftlicher. Die Standards bei SiC sind 150 und 200 Millimeter.
Der kurze Feedback-Loop trägt wesentlich zur Wertschöpfung bei
Dr. Robert Eckstein, CEO der SiCrystal GmbH in Nürnberg, sieht in der Partnerschaft große Vorteile: "Die Rohstoffversorgung für die Bauelemente-Produktion der ROHM-Gruppe, die wir mit hochwertigen Siliziumkarbid-Substraten von SiCrystal aus Europa sicherstellen, ist wesentlich." Vor dem Hintergrund der weltweit herausfordernden Lieferfähigkeit von Siliziumkarbid dieses Sourcing zu garantieren, ist ein deutlicher Wettbewerbsvorteil.
"Hinzu kommt die erstklassige Feedbackkultur aus der Bauelemente-Herstellung und somit die Möglichkeit, die Substrate ständig und schnell an die Anforderungen des Kunden, dem Bauelemente-Hersteller, anzupassen.“ Dieser kurze Feedbackloop erlaubt nur eine Konzernstruktur wie die von ROHM."
Darüber hinaus profitiere die Kooperation insgesamt von den hohen Qualitätsansprüchen der beiden Industrienationen Japan und Deutschland, deren Arbeitsmentalität sich gegenseitig befruchte.
Das Produktionssystem von ROHM ermöglicht eine Rückverfolgbarkeit auf detaillierter Ebene
Mit dem vertikal integrierten Produktionssystem hat die ROHM-Gruppe beispielsweise eine Technologie umgesetzt, die in der Branche nahezu einzigartig ist. Der Vorteil, ist die Fähigkeit, ein höheres Maß an Sicherheit zu gewährleisten.
Ein Beispiel ist in dem Zusammenhang die Rückverfolgbarkeit: Normalerweise ist es nur möglich, ein Produkt chargenweise zurückzuverfolgen, doch das System von ROHM ermöglicht eine Rückverfolgbarkeit auf einer detaillierteren Ebene. Darüber hinaus muss auf der Lieferantenseite bei Problemen mit der Produktionsanlage überlichweise der Anlagenhersteller kontaktiert werden.
Die Prozesstechnologen kennen die Produktionsanlagen so gut, dass der Betrieb in kürzester Zeit wiederhergestellt werden kann. Dies ist nur möglich, weil die Produktionsanlagen Eigenentwicklungen sind und dabei jeden Prozess im Blick haben. Auf diese Weise entstehen optimierte Linien, die jeden Prozess als Ganzes verbinden.
Größere Waferflächen führen zu besserer Skalierbarkeit der Chips
Wafer mit größerem Durchmesser bieten eine größere Fläche und eine bessere Ausnutzung dieser Fläche für Halbleiterbauelemente. Somit können deutlich mehr Chips auf einem prozessierten Wafer realisiert werden. Dies führt zu einer besseren Skalierbarkeit der Chips und verbesserter Wirtschaftlichkeit und Rentabilität in der Produktion, da weniger Material und Energie pro Chip benötigt wird.
ROHM zertifiziert für seine Kunden jede spezifizierte Qualität
Die Ansprüche der Kunden an die weltweiten Halbleiter-Hersteller in den USA, Asien und Europa verschärfen sich von Jahr zu Jahr. Dazu Dr. Robert Eckstein: „Wir reagieren auf diese Entwicklung und stellen für jedes unserer Produkte ein Zertifikat aus, das die spezifizierte Qualität garantiert und bei Bedarf eine schnelle und lückenlose Rückverfolgbarkeit möglich macht.“
Bei der ROHM-Tochtergesellschaft SiCrystal decken präzise überwachte Hightech-Fertigungsprozesse alle Schritte zur Herstellung von hochwertigen Siliziumkarbid-Wafern ab:
- Eigene Herstellung der Schlüssel-Rohstoffe für die Kristalle
- Hochtemperatur-Kristallzüchtung aus der Gasphase
- Präzise mechanische Bearbeitung von Kristallen und Wafern
- Halbleiter-gerechte Reinigung und finale Qualitätskontrolle im Reinraum.
Auch wenn ein Wafer - simpel betrachtet - nur eine dünne braune Scheibe ist: Die Produktion von SiC-Wafern erfordert spezielle Fertigungsprozesse, die sich von denen für Silizium deutlich unterscheiden. Trotz dieser Herausforderungen hat sich die Nachfrage in den letzten Jahren stark entwickelt. Im Jahr 2020 betrug der weltweite Markt für SiC-Halbleitermaterialien rund 628 Millionen US-Dollar und wird voraussichtlich bis 2026 auf 4708 Millionen US-Dollar wachsen. Das entspricht einer CAGR von rund 42 Prozent im Zeitraum 2021-2026.
Auch bei ROHM stehen die Zeichen auf Wachstum: Die ROHM-Gruppe hat als einer der führenden Hersteller von Siliziumkarbid-Materialien nach eigenen Angaben seine Produktionskapazität auf mehr als einer Million SiC-Wafern pro Jahr gesteigert.
Trotz des hohen Bedarfs sind keine Preiserhöhungen geplant. Um den steigenden Bedarf zu befriedigen, laufen umfangreiche Erweiterungen am Standort Nürnberg.
Fazit: Die Industrie sollte sich auf die Verwendung von SiC vorbereiten
SiC ist ein Material, das überall dort punkten kann, wo es um eine effiziente Energieumwandlung geht. Daher gewinnt es für die Industrie immer mehr an Bedeutung. Es bietet eine höhere Effizienz, Nachhaltigkeit und Lieferfähigkeit als herkömmliche Materialien. SiC ist ideal für den Einsatz in Hochleistungsanwendungen wie Elektrofahrzeugen und Solaranlagen, aber auch in vielen anderen Anwendungen wie Stromversorgungen und Leistungselektronik. Die Zukunft gehört SiC und die Industrie sollte sich auf die Verwendung dieses Materials vorbereiten.
SiCrystal GmbH, ein Unternehmen der ROHM-Gruppe
SiCrystal ist ein Unternehmen mit Sitz in Nürnberg, das sich auf die Herstellung von SiC-Wafern spezialisiert hat. Es wurde 1997 gegründet und ist seit 2009 eine hundertprozentige Tochtergesellschaft von ROHM Semiconductor. SiCrystal produziert SiC-Wafer, die in der Leistungselektronik und anderen Anwendungen eingesetzt werden.
Das Unternehmen ist einer der größten Hersteller von SiC-Materialien weltweit.
SiCrystal ist auch ein wichtiger Lieferant für die Automobilindustrie, die SiC-Wafern in Elektrofahrzeugen einsetzt. Das Unternehmen arbeitet kontinuierlich an der Verbesserung seiner SiC-Produkte, um die Effizienz und Leistungsfähigkeit weiter zu steigern.
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