Mehr Saft, weniger Emissionen: auf dem Weg zu umweltfreundlicheren Leistungshalbleitern
Leistungselektronik bildet die Grundlage vieler bedeutender Innovationen, die für die grüne Wende Europas unerlässlich sein werden. Leistungselektronische Bauteile wandeln Elektrizität um und lassen sich auf „grüne“ Weise in vielen Anwendungen von Elektrofahrzeugen bis hin zu Solarkraftwerken einsetzen. Die Entwicklung neuer Materialien spielt eine wichtige Rolle dabei, diese Bauteile effizienter und nachhaltiger zu gestalten. Kubisches Siliziumcarbid (3C-SiC) hat sich als ein Halbleiterkandidat mit erheblichem Potenzial hervorgetan, die Energieeffizienz von Geräten in Spannungsbereichen zwischen 100 und 1 200 V zu verbessern. Das EU-finanzierte Projekt CHALLENGE (3C-SiC Hetero-epitaxiALLy grown on silicon compliancE substrates and 3C-SiC substrates for sustaiNable wide-band-Gap powEr devices) hat nun entscheidende Schritte zurückgelegt, um einer entsprechenden Technologie zur Marktreife zu verhelfen. „Wir haben eine neue Technologie entwickelt, um große 3C-SiC-Wafer zu erschaffen, die in Zukunft als kommerzieller Werkstoff in Leistungshalbleitern weiterentwickelt werden können“, erklärt Francesco La Via, Forschungsdirektor am Institut für Mikroelektronik und Mikrosysteme des italienischen nationalen Forschungsrats, der als Projektträger fungiert.
Bessere Leistung
Die Wafer werden mithilfe der Heteroepitaxie hergestellt, einem Vorgang, bei dem eine Kristallart auf der Oberfläche einer anderen herangezüchtet wird – in diesem Fall auf Siliziumsubstraten. Das Projektteam untersuchte Verfahren, mit denen dieser Werkstoff gezüchtet werden kann, und erarbeitete ein besseres Verständnis dafür, warum Fehlstellen in seinen Kristallstrukturen auftreten und wie sie sich auf die Leistung auswirken. Es konnte zahlreiche technologische Hindernisse überwinden, die der Zucht von 3C-SiC in größerem Maßstab im Weg standen, sodass die Anzahl der Fehlstellen reduziert und die Leistung und Zuverlässigkeit der Werkstoffe verbessert werden konnten. Es gelang CHALLENGE, ein Verfahren zur Minderung thermischer Belastungen zu entwickeln und dicke 3C-SiC-Schichten mit einer Stärke von bis zu 300 Mikrometern zu züchten. „Dieser Werkstoff konnte bislang noch nie in dieser Dicke hergestellt werden, da die erhebliche thermische Belastung stets dazu führte, dass das Material brach“, so La Via.
Grüne Anwendungen
Dieses Verfahren ist besonders wertvoll, da es geringe Produktionskosten mit einer hohen Energieeffizienz verbindet. Die Hauptanwendung der im Rahmen des Projekts CHALLENGE entwickelten Technologie sind Elektrofahrzeuge und Solarwechselrichter, die die Leistung von Solarzellen in Strom umwandeln, der dann in das Netz eingespeist werden kann. „In beiden Anwendungsbereichen wird die Verwendung der 3C-SiC-Technologie eine erhebliche Senkung der Verlustleistung nach sich ziehen, was zu einer bedeutenden Schonung der Umwelt führt“, merkt La Via an. Elektrofahrzeuge würden dank der Technologie außerdem von einer erhöhten Reichweite pro Akkuladung profitieren und so zu einem flexibleren Verkehrsmittel werden. Wenn die Technologie in großem Stil verwendet würde, könnte sie enorm zur Eindämmung des Klimawandels beitragen, so La Via: „Durch die Einführung von 3C-SiC auf dem Markt für Leistungshalbleiter könnten dieCO2-Emissionen jährlich um bis zu 6 Millionen Tonnen gesenkt werden.“ Weitere Forschungsbemühungen sind erforderlich, um die Technologie auf effektive Weise auf den Markt zu bringen. La Via zufolge sollten diese sich darauf konzentrieren, verschiedene Aspekte der Werkstoffqualität zu verbessern, darunter die Fehlstellendichte und Belastbarkeit, sowie unser Verständnis der Voraussetzungen zu vertiefen, die der Konstruktion effizienter Halbleiter zugrunde liegen. Das an CHALLENGE beteiligte Team arbeitet derzeit an mehreren Folgeinitiativen, die die Ergebnisse des Projekts in handfeste Ergebnisse umsetzen sollen.
Schlüsselbegriffe
CHALLENGE, kubisches Siliziumcarbid, 3C-SiC, Heteroepitaxie, Elektrofahrzeuge, Solarwechselrichter, leistungselektronische Bauteile, grüne Wende
