Exotische Leistungshalbleiter

Siliziumcarbid ist temperaturbeständiger als Silizium

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Ein Durchbruch bei der Kristallherstellung macht's möglich: Bauelemente für die Leistungselektronik aus Siliziumcarbid könnten die Leistungsaufnahme elektrischer Geräte um einige Prozent senken. Zu den Vorzügen dieses Halbleitermaterials gehören zudem seine Spannungs- und Temperaturfestigkeit sowie seine hohe Wärmeleitfähigkeit.

Wissenschaftler des Zentrallabors des japanischen Konzerns Toyota haben Einkristalle aus Siliziumcarbid (SiC) besonders hoher Qualität hergestellt und berichten darüber in der Ausgabe vom 26. August 2004 der Zeitschrift Nature in Band 430 auf Seite 1009 ff.. Die Halbleiterkristalle aus SiC lassen sich nunmehr technisch nutzen und zwar insbesondere in Bauelementen für die Leistungselektronik, speziell im Fall sehr großer Temperaturschwankungen wie beispielsweise bei NASA-Satelliten, Flugzeugturbinen und Motorsteuerungen, sowie bei Mobilfunknetzen und Radaranlagen.

Siliziumcarbid ist ein Halbleiter mit einer indirekten Bandlücke zwischen 2,4 und 3,3 Elektronenvolt – je nach Kristallstruktur, beispielsweise kubisch, tetraedrisch oder hexagonal. In hochreiner Form wären die Kristalle nahezu farblos.

Anders als kristallines Silizium, welches sich aus einer Schmelze ziehen lässt, scheidet man SiC-Kristalle aus der Gasphase ab. Den japanischen Forschern gelang es, die Dichte der makroskopischen Defekte, wie beispielsweise hohle Mikroröhrchen im Kristall, um mindestens zwei Größenordnungen zu verringern, was sie mittels Röntgenbeugung überprüften. Dazu wuchsen sie die Kristalle in mehreren Stufen auf, nach jeder Stufe fuhren sie an der saubersten Fläche des Kristalls fort.

Diese Defekte im Kristall standen bislang einem Einsatz im großen Stil entgegen, denn Fehlstellen steigern den elektrischen Widerstand und folglich die Verlustleistung; weiterhin war die Lebensdauer im Praxiseinsatz recht kurz. Außerdem trieben die vielen Kristalldefekte die Herstellungskosten in die Höhe.

Die Dichte der Defekte im Siliziumcarbid-Kristall lässt sich durch Aufwachsen in mehreren Schritten senken, an der jeweils besten Seite des Kristalls und aus einer anderen Richtung wächst die nächste Schicht auf (Bild: Nature)

Die – verglichen mit Silizium – mehr als doppelt so große Bandlücke von Siliziumcarbid zwischen 2,4 und 3,3 Elektronenvolt erlaubt es, elektronische Bauelemente herzustellen, die höheren Spannungen und Temperaturen standhalten können als Bauelemente aus Silizium, Germanium oder Galliumarsenid. Die temperaturabhängige Eigenleitfähigkeit des SiC macht sich erst bei oberhalb von rund 1000 Grad Celsius störend bemerkbar. Ein weiterer Vorzug gerade für die Leistungselektronik ist die große spezifische Wärmeleitfähigkeit. Die hohe Sättigungselektronendriftgeschwindigkeit legt wiederum einen Einbau in Hf-Leistungsverstärker nahe.

Einige Bauelemente aus SiC behaupten sich heute schon in Nischen der Leistungselektronik, beispielsweise Schottky-Dioden oder Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistoren.