Der Einsatz von Leistungshalbleitern aus Siliziumkarbid (SiC) in allen Bereichen, von Elektrofahrzeugen über Solaranlagen bis hin zu Industriemotoren, nimmt immer mehr zu, aber woher kommt das Material? Was ist das Besondere an ihm? Und warum hat es so lange gedauert, bis SiC in der Halbleiterindustrie Fuß gefasst hat, wo es doch vor über einem Jahrhundert erstmals als Grundlage für Radiodetektoren verwendet wurde?
Sternenstaub an den Stiefeln
Die Erdkruste besteht zu etwa 28 % aus Silizium und zu 0,03 % aus Kohlenstoff, so dass man meinen könnte, dass man nach einem langen Spaziergang auf dem Lande genügend Siliziumkarbid (SiC) findet, um ein paar Halbleiterchips an den Stiefelsohlen zu befestigen. Wenn der Spaziergang über einen Meteoriteneinschlagskrater führt, findet man vielleicht ein paar Flecken – das einzige natürlich vorkommende SiC liegt in Form von Moissonit vor, Trümmer einer Supernova oder Auswurfmaterial von kohlenstoffreichen roten Riesensternen, das im Weltraum aufgenommen wird und als mikrongroße Partikel in Meteoriten landet. Sternenstaub in der Tat.
Wir haben die Existenz von SiC vielleicht nie bemerkt, aber 1891 versuchte der amerikanische Erfinder Edward G. Acheson, einen Weg zu finden, künstliche Diamanten herzustellen, indem er Ton (Aluminiumsilikat) und Kohlenstoff erhitzte. Ihm fielen glänzende, sechseckige Kristalle auf, die an dem zum Erhitzen verwendeten Kohlenstofflichtbogen hingen, und er nannte die Verbindung Karborund, weil er dachte, es handele sich um eine Form von kristallisiertem Aluminiumoxid wie Korund. Er hätte denken können, dass er einen zweiten Treffer gelandet hatte, da Rubine und Saphire Arten von Korund sind, aber er erkannte, dass er etwas Neues hatte, eine Verbindung, die fast so hart wie Diamant war und die als Chips oder Pulver in industriellem Maßstab hergestellt und als Schleifmittel verwendet werden konnte.
SiC-LEDs kamen vor Transistoren
Anfang des 20. Jahrhunderts fanden Experimentatoren heraus, dass Kristalle verschiedener Substanzen wie Germanium einen „unsymmetrischen Stromdurchgang“ oder eine Gleichrichtung, wie wir sie heute kennen, bewirken konnten, was in „Kristall“-Radios Verwendung fand. Als man Siliziumkarbid ausprobierte, trat ein seltsames Phänomen auf: Der Kristall leuchtete gelb, manchmal grün, orange oder sogar blau. Die erste LED war entdeckt worden, vierzig Jahre vor dem Transistor.
Als LED wurde SiC bald von Galliumarsenid und Galliumnitrid mit 10-100 mal besserer Emission verdrängt, aber als Material weckte SiC immer noch das Interesse der Elektronikwelt; es hat eine 3,5 mal bessere Wärmeleitfähigkeit als Silizium und kann stark dotiert werden, um eine hohe Leitfähigkeit zu erreichen und gleichzeitig einen hohen elektrischen Felddurchbruch zu erhalten. Mechanisch ist es sehr hart, inert und hat einen sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine hohe Temperaturbeständigkeit. SiC schmilzt nicht einmal – es sublimiert bei etwa 2700⁰C.
SiC macht sich gut
SiC war schon sehr früh als guter Kandidat für ein Halbleiterbauelement bekannt, was also hielt es zurück und ließ Silizium zum Standard werden? Das Hauptproblem war die Beseitigung von Defekten in den SiC-Kristallen. Die Liste ist lang: Kantenversetzungen, Schraubenversetzungen verschiedener Art, Dreiecksdefekte und Versetzungen in der Basalebene. Die Folge des nicht perfekten Kristalls war eine sehr schlechte Sperrwirkung, so dass die Teile elektrisch praktisch unbrauchbar waren. Es gab auch Probleme bei der Verbindung von SiC mit Siliziumdioxid (SiO2), um die beliebten MOSFET- und IGBT-Bauelementtypen herzustellen. Die kontinuierliche Entwicklung hat jedoch die Qualität verbessert, so dass 6-Zoll-Wafer eine akzeptable Ausbeute liefern können, und ein Durchbruch namens Nitrierung oder Ausglühen in Stickstoffdioxid oder Stickstoffoxid ermöglicht es, SiO2-Schichten zuverlässig auf SiC zu züchten.
Vom Gestein im Weltraum zum Gestein an Ihrem Finger
SiC hat sich von einem Schleifmittel auf Ihrer Schleifscheibe über eine glühende elektrische Kuriosität zu der Halbleitertechnologie entwickelt, die Elektrofahrzeuge mit größerer Reichweite und Wechselrichter in der planetenschonenden Sonnenenergie ermöglicht. Übrigens, Achesons Traum wurde so gut wie verwirklicht – SiC- oder Moissanit-Edelsteine sind von reinen Diamanten kaum zu unterscheiden.
Erfahren Sie mehr über die Leistungsfähigkeit von SiC-Kaskoden in praktischen Anwendungen unter unitedsic.com/downloads.
Von Anup Bhalla, VP Engineering bei UnitedSiC (www.unitedsic.com)