Halbleiter mit breitem Bandabstand
Halbleiter mit breitem Bandabstand[1] (englisch wide-bandgap semiconductors, davon abgeleitet Wide-Bandgap-Halbleiter, aber breitbandige Halbleiter[2]) sind Halbleiter, deren Bandabstand/Bandlücke (Energieabstand zwischen Valenzband und Leitungsband) am oberen Ende des Bereichs der Halbleiter (3 eV bis über 4 eV) liegt.
Eigenschaften und Anwendungen
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Die Eigenschaften von Halbleitermaterialien werden überwiegend bestimmt durch den energetischen Abstand zwischen Valenzband und Leitungsband. Elektrische Leiter haben keine Bandlücke, während die Bandlücke bei Nichtleitern größer als 4 eV ist.[3] Bei den bisher meist verwendeten Halbleitern liegt die Bandlücke im unteren Bereich, bei Raumtemperatur z. B. für Germanium (Ge) bei 0,67 eV, für Silicium (Si) bei 1,12 eV und für Galliumarsenid (GaAs) bei 1,42 eV. Bei Wide-Bandgap-Halbleitern ist die Bandlücke größer als 3 eV.[4]
Wegen der hervorragenden Eigenschaften von Silicium in der Produktion von Halbleiterschaltungen und deren Anwendungen basieren die meisten elektronischen Schaltungen auf Silicium als Halbleitermaterial.
Für rauscharme Verstärker und Hochfrequenzverstärker im Mobiltelefon und der Satellitenkommunikation wird häufig der Verbindungshalbleiter GaAs eingesetzt.[2]
In Hochfrequenz-Leistungsverstärkern der Mobilfunknetz-Infrastruktur werden zunehmend GaN-Bauteile verwendet.[5]
Für Leistungs-MOSFET und IGBT finden die Werkstoffe SiC und GaN Verwendung und bieten höhere Sperrspannungen, höhere Betriebstemperatur und schnelleres Schalten wegen der höheren Elektronenbeweglichkeit (HEMT).
Die Verwendung von Wide-Bandgap-Materialien bietet folgende Vorteile:[6]
- Geringere Verluste bei Schaltreglern[7]
- Verarbeitung höherer Spannungen
- Betrieb bei höheren (Umgebungs-)Temperaturen
- Verarbeitung höherer Frequenzen
- höhere Zuverlässigkeit
Neben diesen schaltungstechnischen Eigenschaften ermöglicht die hohe Bandlücke die effektive Emission kurzwelligeren Lichts und so beispielsweise Leuchtdioden (LED) in den Farben Blau bis Ultraviolett.
Der weiteren Verbreitung der Materialien stehen einige Nachteile entgegen: Neben der Herstellbarkeit im industriellen Maßstab bei vertretbaren Herstellungskosten müssen Entwicklungswerkzeuge die Materialeigenschaften unterstützen und neue Gehäusetechnologien die Verwendung bei möglichen höheren Betriebstemperaturen erlauben.[6] Anders als bei der Silizium-Technologie müssen die Wide-Bandgap-Halbleiter für Leistungsbauelemente meist auf Substrate aus anderen (leichter herzustellenden) Materialien aufgebracht werden: GaN auf Saphir oder SiC, SiC und Diamant auf Silizium.[8]
Vertreter
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]| Material | Bandlücke in eV (bei 300 K) |
|---|---|
| IV-IV-Verbindungshalbleiter | |
| SiC | 3,03 |
| III-V-Verbindungshalbleiter | |
| GaN | 3,37 |
| InGaN | 0,7–3,37 |
| BN | 5,8 |
| AlN | 6,2 |
| II-VI-Verbindungshalbleiter | |
| ZnO | 3,37 |
| Element | |
| C (als Diamant) | 5,46–5,6 |
Bandlücken im entsprechenden Energiebereich finden sich z. B. beim elementaren Kohlenstoff in der Modifikation als Diamant.[9] Eine mögliche Kombination von Elementen der Gruppe IV des Periodensystems ist Siliciumcarbid. Aus dem Bereich der Verbindungshalbleiter gibt es verschiedene geeignete Kombinationen wie Galliumnitrid (III-V) und Zinkoxid (II-VI). Auch entsprechende Verbindungshalbleiter mit mehr als zwei Elementen wie z. B. Indiumgalliumnitrid (InGaN) kommen als Material in Frage. Hierbei kann sogar die Bandlücke durch das Verhältnis von Indiumnitrid zu Galliumnitrid eingestellt werden.
Markt
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Laut der taiwanischen Elektronik-Tageszeitung DigiTimes war der Markt für Silizium-basierte Leistungshalbleiter im Jahr 2016 größer als 24 Mrd. US-Dollar. Im selben Jahr wurden mit SiC und GaN nur 200 Mio. US-Dollar bzw. 14 Mio. US-Dollar umgesetzt, wobei aber für die Zukunft höhere Wachstumsraten für die Verbindungshalbleiter erwartet werden. SiC wird Silizium vornehmlich in Hochleistungsanwendungen ersetzen und GaN in mittleren Leistungsbereichen.[10] 2019 lag der Umsatz mit SiC-Halbleitern bereits bei USD 500 Mio.[11]
Industrie
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]In Deutschland haben die Unternehmen ZF Friedrichshafen und der Halbleiterhersteller Wolfspeed Anfang 2023 ihre Kooperation und Fertigung von SiC-Produkten im Saarland angekündigt.[12][13] ZF beteiligt sich an dem Werk mit 170 Mio. Euro.[14] Die Gesamtkosten der Fabrik werden auf 2,75 Milliarden Euro geschätzt.[15]
Der deutsche Halbleiterhersteller Infineon eröffnete 2024 die erste Phase einer 200-mm-SiC-Fabrik im Kulim-Hi-Tech-Industrial-Park in Malaysia, die auch eine GaN-Epitaxie umfasst.[16][17] Mit dieser 2 Mrd.-Euro-Investition ergänzt Infineon seine bereits in Villach (Österreich) bestehenden Kapazitäten zur Produktion von SiC- und GaN-Leistungshalbleitern.[16]
Literatur
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]- Keh Yung Cheng: III–V Compound Semiconductors and Devices: An Introduction to Fundamentals (= Graduate Texts in Physics). Springer International Publishing, Cham 2020, ISBN 978-3-03051901-8, doi:10.1007/978-3-030-51903-2 (englisch).
- Kiyoshi Takahashi, Akihiko Yoshikawa, Adarsh Sandhu (Hrsg.): Wide Bandgap Semiconductors. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 2007, ISBN 978-3-540-47234-6, doi:10.1007/978-3-540-47235-3 (englisch).
- Marius Grundmann: The Physics of Semiconductors: An Introduction Including Nanophysics and Applications (= Graduate Texts in Physics). Springer International Publishing, Cham 2021, ISBN 978-3-03051568-3, doi:10.1007/978-3-030-51569-0 (englisch).
Einzelnachweise
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]- ↑ Werner Bindmann: German Dictionary of Microelectronics. Psychology Press, 1999, ISBN 0-415-17340-X, S. 478 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
- ↑ a b Dimitris Pavlidis: Wide- and Narrow-Bandgap Semiconductor Materials. (PDF) In: Thema Forschung. TU Darmstadt, Februar 2006, S. 38–41, abgerufen am 1. November 2023 (englisch, deutsch).
- ↑ A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 101. Auflage. Walter de Gruyter, Berlin 1995, ISBN 3-11-012641-9, S. 1313.
- ↑ Shyh-Chiang Shen: Wide-bandgap device research and development at SRL. Georgia Institute of Technology Semiconductor Research Laboratory, abgerufen am 5. Juni 2015 (englisch).
- ↑ Diana Goovaerts: GaN Gaining Ground in Mobile Wireless Infrastructure Market. Wireless Week, 27. März 2017, abgerufen am 1. April 2017 (englisch).
- ↑ a b Wide Bandgap Semiconductors: Pursuing the Promise. (PDF) United States Department of Energy, April 2013, archiviert vom (nicht mehr online verfügbar) am 22. Februar 2016; abgerufen am 5. Juni 2015 (englisch).
- ↑ SiC Einsatz in automobilen Antriebsumrichtern. (PDF) Uni Bayreuth, abgerufen am 1. März 2017.
- ↑ Adam Khan: Not-So Quiet Race in Wide Band Gap Semiconductor. EE Times, 30. Juni 2016, abgerufen am 4. Juli 2016.
- ↑ Chris J.H. Wort, Richard S. Balmer: Diamond as an electronic material. In: ScienceDirect, Volume 11, Issues 1–2, January–February 2008. Elsevier, 7. Januar 2008, S. 22–28, abgerufen am 13. August 2017 (englisch).
- ↑ Ricky Tu: Digitimes Research: SiC, GaN power semiconductor markets to grow fast through 2025. DigiTimes, 30. November 2017, abgerufen am 30. November 2017 (englisch).
- ↑ Warum Siliziumkarbid-Halbleiter eine große Zukunft haben. In: sglcarbon.com. 16. Juni 2020, abgerufen am 16. Mai 2023.
- ↑ Anne-Françoise Pelé: Wolfspeed to Build 200-mm SiC Wafer Fab in Germany. 8. Februar 2023, abgerufen am 5. September 2024 (amerikanisches Englisch).
- ↑ Wolfspeed and ZF Announce Partnership for Future Silicon Carbide Semiconductor Devices | Wolfspeed. Wolfspeed, abgerufen am 5. September 2024 (amerikanisches Englisch).
- ↑ Mitarbeiter gehen auf die Barrikaden: Autozulieferer will bis zu 14.000 Stellen abbauen. 5. September 2024, abgerufen am 5. September 2024 (deutsch).
- ↑ S. W. R. Aktuell: Milliardeninvestition in weltweit größtes Werk: ZF will sich an Chipfabrik beteiligen. 3. Februar 2023, abgerufen am 5. September 2024.
- ↑ a b Iris Stroh: Infineon eröffnet SiC-Leistungshalbleiterfabrik in Malaysia. Abgerufen am 5. September 2024 (deutsch).
- ↑ PBT TAMAN PERINDUSTRIAN HI-TECH KULIM – Portal PBT Kedah. Portal Rasmi Pihak Berkuasa Tempatan Negeri Kedah Darul Aman, abgerufen am 5. September 2024.