Siliziumkarbid – Teil 1 SiC - Das Material und seine Eigenschaften

SiC - Das Material und seine Eigenschaften
SiC - Das Material und seine Eigenschaften

Im Bereich der Halbleiter gab es viele Neuerungen, auch im Hinblick auf Materialien: Germanium wurde von Silizium abgelöst und in Hochspannungsanwendungen steht ein Wechsel zu Siliziumkarbid als bevorzugtes Material bevor. Ein Grund mehr, einen Blick auf die Eigenschaften des Materials und dessen Möglichkeiten zu werfen.

Mit einem Blick auf die Geschichte der Halbleiterverbindungen kann man verschiedene Wandlungen bezüglich des verwendeten Materials erkennen, etwa von Germanium zu Silizium. Gegenwärtig lässt sich eine neue große Veränderung bei Materialien mit großer Bandlücke insbesondere für den Bereich Power Management beobachten: Siliziumkarbid, kurz: SiC, einer Verbindung von Silizium (Si) und Kohlenstoff (C). Im Vergleich zu Si hat SiC die zehnfache dielektrische Durchbruchsfeldstärke, eine dreimal so große Bandlücke und die dreifache Wärmeleitfähigkeit. Sowohl p-Typ- als auch n-Typ-Bereiche mit stark gesteuerter Dotierungskonzentration, welche erforderlich sind, um Bausteinstrukturen in einem Halbleitermaterial auszubilden, können in SiC geformt werden. Diese Eigenschaften machen SiC zu einem attraktiven Material und einer guten Basis, um Bausteine herzustellen, die die Leistung ihrer Si-Pendants bei Weitem übertreffen. SiC-Bauteile können höherer Durchbruchspannung widerstehen, haben einen niedrigeren spezifischen Widerstand und können bei höheren Temperaturen eingesetzt werden.

Die kristalline Struktur

SiC existiert in einer Vielzahl von polymorphen kristallinen Strukturen, genannt: Polytypen, wie 3C-SiC, 6H-SiC oder 4H-SiC. Derzeit wird in der Regel 4H-SiC in der praktischen Herstellung von Leistungsbausteinen bevorzugt. Einkristall-4H-SiC-Wafer von 3 bis 6 Zoll Durchmesser sind aktuell im Handel erhältlich.

4H-SiC hat eine hexagonale Kristallstruktur und eine Wärmeleitfähigkeit, die dreimal so hoch ist wie bei Si und GaN (Galliumnitrid) sowie zehnmal höher als die von GaAs (Galliumarsenid). Mit ihrer dielektrischen Durchbruchfeldstärke können SiC-Bausteine mit einer viel dünneren Drift-Schicht und/oder höherer Dotierungskonzentration auskommen, d.h. sie haben eine sehr hohe Durchbruchspannung (600 V – 1200 V und höher) und daher sehr geringen Widerstand (Tabelle). Der Widerstand von Bausteinen mit hoher Spannung wird überwiegend durch die Breite des Driftbereichs bestimmt. In der Theorie kann SiC im Vergleich zu Si bei gleicher Durchbruchspannung den Widerstand pro Flächeneinheit der Drift-Schicht auf 1/300 verringern.

SiC ist natürlich nicht die einzige Halbleiterverbindung, die für die nächste Generation von Leistungs-Bauelementen in Betracht gezogen wird. Unter anderem sind Galliumarsenid-basierte Bausteine bereits seit den 1990er Jahren verfügbar. Da diese jedoch teurer sind als Si-Bausteine, haben sie nur begrenzte Akzeptanz in hochanspruchsvollen Anwendungen gefunden. In jüngster Vergangenheit wurde über die Verwendung von Galliumnitrid für Leistungstransistoren nachgedacht, da es auch für hohe Frequenzen und Temperaturen geeignet erscheint.

GaN weist eine ähnlich große Bandlücke und Dielektrizitätskonstante wie SiC auf, so dass eine gleichwertige Bruchspannung (= Festigkeit) erreicht wird. Die Elektronenbeweglichkeit ist höher, aber die Wärmeleitfähigkeit beträgt nur ein Viertel der von SiC. Im Gegensatz zu SiC ist diese Technologie noch in einem frühen Stadium der Entwicklung und Kommerzialisierung. Die Auswahl von Anbietern und Komponenten ist daher bei SiC im Moment noch deutlich größer. Heutzutage gehen mit der Verfügbarkeit von 4-Zoll-Wafern und der damit verbundenen Erhöhung der Kapazität die SiC-Produktkosten nach unten und die Marktreife gleichzeitig nach oben.