Siliziumkarbid (SiC), das Kernmaterial der Halbleiter der dritten Generation, verändert aufgrund seiner hervorragenden physikalischen und elektrischen Eigenschaften viele Bereiche grundlegend. Die folgende Tabelle fasst die wichtigsten Anwendungen und Vorteile für einen schnellen Überblick zusammen:
Anwendungsbereiche Hauptanwendungsszenarien Vorteile von Siliziumkarbid (SiC) Verwandte Technologie-/Produktbeispiele
Fahrzeuge mit alternativer Antriebstechnik Hauptantriebswechselrichter, Bordladegerät (OBC), DC/DC-Wandler Verbessert die Effizienz, erhöht die Reichweite (angeblich um bis zu 6 % 8) und reduziert Gewicht und Volumen des Systems Hybrid-SiC-Module1, SiC-MOSFETs
Ladeinfrastruktur DC-Schnellladestationen Verbessern die Ladeeffizienz, unterstützen schnelles Laden mit hoher Leistung und verkürzen die Ladezeit
Photovoltaik-Stromerzeugung und Energiespeicherung PV-Wechselrichter, Stromspeicherkonverter (PCS) Verbessern die Effizienz der photoelektrischen Umwandlung (angeblich kann der Wirkungsgrad bei SiC-Dioden im Vergleich zu siliziumbasierten Systemen um 1,5 % bis 2 % gesteigert werden 6), reduzieren Systemverluste und erhöhen die Leistungsdichte SiC-Dioden6, SiC-MOSFETs
Industrielle Stromversorgungen und Rechenzentren Server-Stromversorgungen, Telekommunikations-Stromversorgungen, unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) Verbessern die Energieeffizienz, erhöhen die Leistungsdichte und reduzieren Energieverbrauch
5G-Kommunikation und HF-Geräte HF-Leistungsverstärker, Filter usw. Halbisolierende HF-Halbleitergeräte auf Siliziumkarbidbasis mit hervorragender Hochfrequenz-, Hochtemperatur- und Hochleistungsleistung.
Smart Wearables und AR/Optische Wellenleiter: Diffraktive Wellenleiter für AR-Brillen und ultradünne Linsen. Hoher Brechungsindex, hohe Härte und hohe Wärmeleitfähigkeit ermöglichen weite Sichtfelder, Vollfarbbilder, eliminieren optische Artefakte und tragen zur Verdünnung und Gewichtsreduzierung von Geräten (z. B. 0,55 mm dünne AR-Linsen) sowie zur Kostensenkung bei (die Substratkosten werden in Zukunft voraussichtlich deutlich sinken). Hochreine, halbisolierende Substrate aus 12-Zoll-Siliziumkarbid-Ingots und ultradünnen diffraktiven Siliziumkarbid-Wellenleitern.
Schienenverkehr und Smart Grid: Traktionsumrichter, Leistungstransformatoren (PET) und Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung. Hohe Spannungsfestigkeit und geringe Verluste verbessern die Effizienz und Zuverlässigkeit des Systems.
Haupttypen von Siliziumkarbidgeräten
Siliziumkarbid wird in der Halbleiterindustrie vor allem zur Herstellung folgender Bauelemente verwendet, die die Grundlage für die genannten Anwendungen bilden:
Siliziumkarbid-MOSFETs (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren): Besonders geeignet für Hochfrequenz-, Hochspannungs- und Hocheffizienzanwendungen, wie z. B. den Hauptwechselrichter von Fahrzeugen mit alternativer Energie. Die aktuelle Technologie ermöglicht einen niedrigen Durchlasswiderstand (z. B. weist die SiC-MOS-Plattform der dritten Generation von Yangjie Technology einen Durchlasswiderstand von unter 3,33 mΩ.cm²³ auf) und einen Betrieb bei hohen Temperaturen (z. B. kann die CoolSiC™ MOSFET G2-Serie von Infineon im Normalbetrieb bei 175 °C und unter Überlastbedingungen bei 200 °C betrieben werden).
Siliziumkarbiddioden (hauptsächlich Schottky-Barrieredioden (SBDs)): Da sie praktisch keinen Sperrverzögerungsstrom aufweisen, eignen sie sich besonders gut für Hochfrequenzschaltanwendungen wie Photovoltaik-Wechselrichter und Bordladegeräte, da sie die Schaltverluste erheblich reduzieren.
Siliziumkarbidmodule: Mehrere Siliziumkarbidchips (wie MOSFETs und Dioden) werden zu einem Leistungsmodul integriert und verpackt. Beispielsweise bietet das Hauptantriebsmodul für Fahrzeuge mit neuer Antriebstechnologie (NEVs) Vorteile wie eine höhere Leistungsdichte und verbesserte Zuverlässigkeit.
🔧 Die Hauptvorteile von Siliziumkarbid
Die Fähigkeit von Siliziumkarbid, diese Revolutionen herbeizuführen, beruht auf seinen außergewöhnlichen Materialeigenschaften:
Hohe Durchbruchfeldstärke: Dadurch können Siliziumkarbid-Geräte bei höheren Spannungen betrieben werden und sind somit für Hochspannungsanwendungen geeignet.
Hohe Wärmeleitfähigkeit: Erleichtert die Wärmeableitung, sodass Geräte bei höheren Temperaturen betrieben werden können und Kühlsysteme vereinfacht werden.
Hohe Elektronensättigungsdriftgeschwindigkeit: Ermöglicht SiC-Geräten den Betrieb bei höheren Frequenzen und reduziert so Größe und Gewicht passiver Komponenten (wie Induktoren und Kondensatoren) im System.
Große Bandlücke: Bietet SiC-Geräten eine hervorragende Hochtemperaturstabilität und Strahlungsbeständigkeit.
🌐 Aktueller Entwicklungsstand der SiC-Industrie
Die SiC-Industrie erlebt ein schnelles Wachstum und eine schnelle Expansion:
Anhaltendes Marktwachstum: Der Markt für SiC-Leistungsbauelemente wird bis 2030 voraussichtlich 10,3 Milliarden US-Dollar übersteigen, mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von über 20 % in den nächsten fünf Jahren.
Technologie-Upgrades: Die Wafergröße verschiebt sich von den gängigen 6 Zoll auf 8 Zoll (wodurch die Stückkosten um über 30 % gesenkt werden können) und 12-Zoll-Wafer.
Schrittweise Verbesserung der Industriekette: Inländische Unternehmen entwickeln sich aktiv weiter und machen Fortschritte in den Bereichen Substrate, Epitaxie, Gerätedesign, Fertigung und Modulverpackung.
Kostentrends: Durch Verbesserungen der Materialqualität, größere Wafergrößen, verbesserte Herstellungsverfahren und eine Ausweitung der industriellen Größenordnung sinken die Kosten für Siliziumkarbid-Geräte allmählich und ebnen so den Weg für eine großflächige Anwendung in einem breiteren Spektrum von Bereichen.
💎 Zusammenfassung
Dank ihrer überlegenen physikalischen und elektrischen Eigenschaften entwickeln sich Siliziumkarbid-Halbleiter zu einem wichtigen Motor für Innovationen und Verbesserungen in den Bereichen Fahrzeuge mit alternativer Energie, erneuerbare Energien, industrielle Stromversorgung, 5G-Kommunikation und Unterhaltungselektronik. Obwohl die aktuellen Herstellungskosten von Siliziumkarbid-Bauelementen (insbesondere MOSFETs) relativ hoch und die Prozessanforderungen streng sind, ist mit kontinuierlichen technologischen Fortschritten, kontinuierlicher Branchenentwicklung und anhaltender Expansion mit weiteren Kostensenkungen zu rechnen, und die Anwendungsaussichten sind vielversprechend.