Die erste Generation von Halbleitermaterialien wird durch das traditionelle Silizium (Si) und Germanium (Ge) repräsentiert, die die Grundlage für die Herstellung integrierter Schaltungen bilden. Sie werden häufig in Niederspannungs-, Niederfrequenz- und Niedrigleistungstransistoren und -detektoren eingesetzt. Mehr als 90 % der Halbleiterprodukte bestehen aus siliziumbasierten Materialien;
Zu den Halbleitermaterialien der zweiten Generation zählen Galliumarsenid (GaAs), Indiumphosphid (InP) und Galliumphosphid (GaP). Im Vergleich zu siliziumbasierten Bauelementen weisen sie optoelektronische Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitseigenschaften auf und finden breite Anwendung in der Optoelektronik und Mikroelektronik.
Die dritte Generation von Halbleitermaterialien wird durch neuartige Materialien wie Siliziumkarbid (SiC), Galliumnitrid (GaN), Zinkoxid (ZnO), Diamant (C) und Aluminiumnitrid (AlN) repräsentiert.
SiliciumcarbidSiliziumkarbid ist ein wichtiger Basiswerkstoff für die Entwicklung der Halbleiterindustrie der dritten Generation. Leistungshalbleiter aus Siliziumkarbid erfüllen dank ihrer hervorragenden Hochspannungsfestigkeit, Hochtemperaturbeständigkeit, geringen Verluste und weiterer Eigenschaften die Anforderungen an hohe Effizienz, Miniaturisierung und geringes Gewicht von Leistungselektroniksystemen.
Aufgrund seiner überlegenen physikalischen Eigenschaften – hohe Bandlücke (entsprechend hoher Durchbruchfeldstärke und hoher Leistungsdichte), hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit – wird es voraussichtlich zukünftig zum am weitesten verbreiteten Basismaterial für die Herstellung von Halbleiterchips werden. Insbesondere in Bereichen wie Elektromobilität, Photovoltaik, Schienenverkehr und intelligenten Stromnetzen bietet es deutliche Vorteile.
Der SiC-Produktionsprozess ist in drei Hauptschritte unterteilt: SiC-Einkristallzüchtung, Epitaxieschichtwachstum und Bauelementeherstellung, die den vier Hauptgliedern der industriellen Wertschöpfungskette entsprechen:Substrat, Epitaxie, Geräte und Module.
Das gängigste Verfahren zur Herstellung von Substraten nutzt zunächst die physikalische Dampfsublimation, um das Pulver in einer Hochtemperatur-Vakuumumgebung zu sublimieren. Anschließend werden durch Temperaturkontrolle Siliziumkarbidkristalle auf der Oberfläche des Impfkristalls gezüchtet. Auf einem Siliziumkarbid-Wafer als Substrat wird mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) eine Schicht aus Einkristallen abgeschieden, um einen Epitaxie-Wafer zu erzeugen. Die Herstellung von Leistungshalbleitern, die hauptsächlich in Elektrofahrzeugen und Photovoltaik eingesetzt werden, erfolgt durch das Aufwachsen einer Siliziumkarbid-Epitaxieschicht auf einem halbisolierenden Substrat.Siliziumkarbidsubstratkönnen weiter zu Hochfrequenzgeräten verarbeitet werden, die in der 5G-Kommunikation und anderen Bereichen eingesetzt werden.
Siliziumkarbidsubstrate weisen derzeit die höchsten technischen Hürden in der Siliziumkarbid-Industriekette auf und sind am schwierigsten herzustellen.
Der Produktionsengpass bei SiC ist noch nicht vollständig gelöst. Die Qualität der Rohmaterialkristalle ist instabil, und es bestehen Ausbeuteprobleme, was zu den hohen Kosten von SiC-Bauelementen führt. Silizium benötigt durchschnittlich nur drei Tage, um zu einem Kristallstab heranzuwachsen, während ein Siliziumkarbid-Kristallstab eine Woche benötigt. Ein herkömmlicher Siliziumkristallstab kann bis zu 200 cm lang werden, ein Siliziumkarbid-Kristallstab hingegen nur bis zu 2 cm. Darüber hinaus ist SiC selbst ein hartes und sprödes Material, und Wafer aus SiC neigen beim herkömmlichen mechanischen Wafer-Sägen zu Kantenausbrüchen, was die Produktausbeute und -zuverlässigkeit beeinträchtigt. SiC-Substrate unterscheiden sich stark von herkömmlichen Siliziumblöcken, und von der Ausrüstung über die Prozesse und die Verarbeitung bis hin zum Schneiden müssen alle Aspekte für die Handhabung von Siliziumkarbid neu entwickelt werden.
Die Siliziumkarbid-Industriekette lässt sich in vier Hauptglieder unterteilen: Substrat, Epitaxie, Bauelemente und Anwendungen. Substratmaterialien bilden die Grundlage der Wertschöpfungskette, Epitaxiematerialien sind der Schlüssel zur Bauelementefertigung, Bauelemente bilden den Kern der Wertschöpfungskette und Anwendungen treiben die industrielle Entwicklung voran. Die vorgelagerte Industrie stellt aus Rohmaterialien mittels physikalischer Dampfsublimation und anderer Verfahren Substratmaterialien her und züchtet anschließend mittels chemischer Gasphasenabscheidung und anderer Verfahren Epitaxiematerialien. Die nachgelagerte Industrie verwendet die vorgelagerten Materialien zur Herstellung von Hochfrequenzbauelementen, Leistungshalbleitern und anderen Bauelementen, die letztendlich in nachgelagerten Anwendungen wie 5G-Kommunikation, Elektrofahrzeugen, Schienenverkehr usw. zum Einsatz kommen. Substrat und Epitaxie machen 60 % der Kosten der Wertschöpfungskette aus und stellen den Hauptwert der Wertschöpfungskette dar.
SiC-Substrat: SiC-Kristalle werden üblicherweise im Lely-Verfahren hergestellt. Internationale Standardprodukte wechseln von 4-Zoll- zu 6-Zoll-Substraten, und es wurden bereits 8-Zoll-Substrate entwickelt. Inländische Substrate haben hauptsächlich einen Durchmesser von 4 Zoll. Da die bestehenden Produktionslinien für 6-Zoll-Siliziumwafer aufgerüstet und für die Herstellung von SiC-Bauelementen umgerüstet werden können, wird der hohe Marktanteil von 6-Zoll-SiC-Substraten voraussichtlich langfristig bestehen bleiben.
Die Herstellung von Siliciumcarbid-Substraten ist komplex und anspruchsvoll. Siliciumcarbid ist ein einkristallines Verbindungshalbleitermaterial, das aus den Elementen Kohlenstoff und Silicium besteht. Derzeit werden in der Industrie hauptsächlich hochreines Kohlenstoff- und Siliciumpulver als Rohstoffe für die Siliciumcarbid-Synthese verwendet. Unter einem speziellen Temperaturfeld wird das etablierte PVT-Verfahren (Physical Vapor Transmission) eingesetzt, um Siliciumcarbid in verschiedenen Größen in einem Kristallzuchtofen zu züchten. Der Kristallblock wird anschließend mehrfach bearbeitet, geschnitten, geschliffen, poliert und gereinigt, um ein Siliciumcarbid-Substrat zu erhalten.
Veröffentlichungsdatum: 22. Mai 2024