Als neuartiges Halbleitermaterial hat sich Siliziumkarbid (SiC) aufgrund seiner hervorragenden physikalischen, chemischen und elektrischen Eigenschaften zum wichtigsten Halbleitermaterial für die Herstellung von kurzwelligen optoelektronischen Bauelementen, Hochtemperaturbauelementen, strahlungsresistenten Bauelementen sowie Hochleistungs- und Hochleistungselektronikbauelementen entwickelt. Insbesondere unter extremen und rauen Bedingungen übertreffen SiC-Bauelemente die Eigenschaften von Si- und GaAs-Bauelementen deutlich. Daher haben sich SiC-Bauelemente und verschiedene Sensoren zunehmend zu Schlüsselbauelementen entwickelt und spielen eine immer wichtigere Rolle.
SiC-Bauelemente und -Schaltungen haben sich seit den 1980er Jahren rasant entwickelt, insbesondere seit 1989, als der erste SiC-Substratwafer auf den Markt kam. In einigen Bereichen, wie z. B. Leuchtdioden, Hochfrequenz-, Hochleistungs- und Hochspannungsbauelementen, werden SiC-Bauelemente bereits kommerziell eingesetzt. Die Entwicklung verläuft rasant. Nach knapp zehn Jahren Entwicklungszeit ist die Herstellung von SiC-Bauelementen für kommerzielle Anwendungen möglich. Zahlreiche Unternehmen, darunter Cree, bieten mittlerweile kommerzielle SiC-Produkte an. Auch inländische Forschungsinstitute und Universitäten haben beachtliche Erfolge bei der SiC-Materialzüchtung und der Herstellungstechnologie erzielt. Obwohl SiC über sehr gute physikalische und chemische Eigenschaften verfügt und die SiC-Bauelementtechnologie ausgereift ist, ist die Leistungsfähigkeit von SiC-Bauelementen und -Schaltungen noch nicht optimal. Neben der ständigen Verbesserung des SiC-Materials und des Herstellungsprozesses sollten verstärkt Anstrengungen unternommen werden, die Vorteile von SiC-Materialien durch die Optimierung der SiC-Bauelementstruktur oder die Entwicklung neuer Strukturen besser zu nutzen.
Aktuell konzentriert sich die Forschung an SiC-Bauelementen hauptsächlich auf diskrete Bauelemente. Für jeden Bauelementtyp besteht die erste Forschungsarbeit darin, die entsprechende Si- oder GaAs-Bauelementstruktur ohne Optimierung auf SiC zu übertragen. Da die intrinsische Oxidschicht von SiC dieselbe ist wie die von Si (SiO₂), können die meisten Si-Bauelemente, insbesondere m-pa-Bauelemente, auf SiC hergestellt werden. Obwohl es sich nur um eine einfache Übertragung handelt, haben einige der so erhaltenen Bauelemente zufriedenstellende Ergebnisse erzielt und sind bereits im Handel erhältlich.
SiC-optoelektronische Bauelemente, insbesondere blaue Leuchtdioden (BLU-Ray-LEDs), kamen Anfang der 1990er-Jahre auf den Markt und waren die ersten in Serie gefertigten SiC-Bauelemente. Hochspannungs-SiC-Schottky-Dioden, SiC-HF-Leistungstransistoren, SiC-MOSFETs und mesFETs sind ebenfalls kommerziell erhältlich. Die Leistungsfähigkeit all dieser SiC-Produkte ist jedoch noch weit von den herausragenden Eigenschaften des SiC-Materials entfernt, und die Weiterentwicklung von SiC-Bauelementen hinsichtlich Funktionalität und Leistungsfähigkeit bedarf weiterer Forschung und Entwicklung. Solche einfachen Übertragungen können die Vorteile von SiC-Materialien oft nicht voll ausschöpfen. Selbst bei einigen Vorteilen von SiC-Bauelementen erreichen manche der anfänglich hergestellten SiC-Bauelemente nicht die Leistung vergleichbarer Si- oder CaAs-Bauelemente.
Um die Vorteile der SiC-Materialeigenschaften besser in die Vorteile von SiC-Bauelementen umzusetzen, untersuchen wir derzeit, wie der Herstellungsprozess und die Struktur der Bauelemente optimiert werden können oder wie neue Strukturen und neue Prozesse entwickelt werden können, um die Funktion und Leistung von SiC-Bauelementen zu verbessern.
Veröffentlichungsdatum: 23. August 2022