mini|223x223px|Scheibe eines gewachsenen Siliciumcarbid-Rohkristalls (SiC) Halbleiter mit breitem BandabstandWerner Bindmann: German Dictionary of Microelectronics. Psychology Press, 1999, ISBN 0-415-17340-X, S. 478 (). (, abgekürzt WBS oder WBG, davon abgeleitet Wide-Bandgap-Halbleiter, oder auch breitbandige Halbleiter) sind Halbleiter, deren Bandabstand oder -lücke (Energieabstand zwischen Valenzband und Leitungsband) am oberen Ende des Bereichs der Halbleiter (3 eV bis über 4 eV) liegt. Umgangssprachlich werden die neuen Bauelemente auch als Halbleiter der 3. Generation bezeichnet. Bekannte WBS sind Siliciumcarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN), welche sich aufgrund ihrer außergewöhnlichen Leistungsfähigkeit als die vielversprechendsten Leistungshalbleiter für Anwendungen in der Leistungselektronik herauskristallisiert haben.

Materialien und Eigenschaften 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. 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 oder Silizium (Si) bei 1,12 eV und für Galliumarsenid (GaAs) bei 1,42 eV. Bei Wide-Bandgap-Halbleitern (WBS) ist die Bandlücke hingegen größer als 3 eV. Wegen der hervorragenden Eigenschaften von Si in der Produktion von Halbleiterschaltungen (Mikroelektronik) und deren Anwendungen basieren die meisten elektronischen Schaltungen zunächst auf Si als Halbleitermaterial.

+Halbleiter mit breitem Bandabstand (Auswahl) 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

Die Verwendung von Wide-Bandgap-Materialien bietet jedoch folgende Vorteile: Geringere Verluste bei Schaltreglern Verarbeitung höherer Spannungen Betrieb bei höheren (Umgebungs-)Temperaturen Verarbeitung höherer Frequenzen höhere Zuverlässigkeit Der weiteren Verbreitung der neuen Bauelemente stehen aber auch einige Herausforderungen und Grenzen 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. Anders als bei der Silicium (Si)-Technologie müssen die Wide-Bandgap-Halbleiter (WBS) für Leistungsbauelemente meist auf Substrate aus anderen (leichter herzustellenden) Materialien aufgebracht werden: GaN auf Saphir oder Siliciumcarbid (SiC), SiC und Diamant auf Si. Diese Verfahren stellen besondere Anforderungen an die Fertigungsverfahren der Halbleitertechnik. Die wesentlich höheren Schaltgeschwindigkeiten und Frequenzen von WBS-Bauelementen erfordern Maßnahmen gegen elektromagnetische Störungen (EMI) in einem höheren Frequenzbereich als bei herkömmlichen Si-Bauelementen.

Die Tabelle zeigt Beispiele möglicher Kombinationen von Elementen zur Darstellung von Halbleitern mit breitem Bandabstand und deren Bandlücken.

Eine Kombination von Elementen der Gruppe IV des Periodensystems ist Siliciumcarbid (SiC). 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 auch in Frage. Hierbei kann sogar die Bandlücke durch das Verhältnis von Indiumnitrid (InN) zu Galliumnitrid (GaN) eingestellt werden.

Außerdem finden sich Bandlücken im entsprechenden Energiebereich auch beim elementaren Kohlenstoff in der Modifikation als Diamant.

Anwendungen

Blaue und weiße LEDs mini|UV-LED mit dem Wide-Bandgap-Material InGaN Neben den schaltungstechnischen Eigenschaften ermöglicht die hohe Bandlücke die effektive Emission kurzwelligeren Lichts und so beispielsweise Leuchtdioden (LED) in den Farben Blau bis Ultraviolett. Diese Entwicklungen der modernen Halbleitertechnik (Optoelektronik) wurden seit etwa den 1980er Jahren erforscht, ab den 2010er Jahren marktreif gemacht und stark verbreitet. Für die Erfindung der blauen LED wurden Shuji Nakamura, Isamu Akasaki und Hiroshi Amano im Jahr 2014 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Sie haben diese Technologie (epitaxiale Verfahren) über Jahre hinweg vorangetrieben. Schlussendlich hat die Erfindung effizienter blauer LEDs zu weißen LEDs für die Beleuchtung geführt. Siehe auch die Physik des Heteroübergang oder Lasers.

Elektronische Anwendungen Neben der Verwendung von modernen blauen bzw. weißen Leuchtdioden (LEDs) zur Beleuchtung werden Halbleiter mit breitem Bandabstand auch für schaltungstechnische Zwecke eingesetzt:mini|266x266px|GaN-basiertes Leistungsmodel (Halbbrücke für Wechselrichter) vom Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik. Aufnahme von 2014. Für rauscharme Verstärker (LNA) und Hochfrequenzverstärker im Mobiltelefon und der Satellitenkommunikation wird häufig der Verbindungshalbleiter GaAs eingesetzt. In Hochfrequenz-Leistungsverstärkern der Mobilfunknetz-Infrastruktur werden zunehmend Galliumnitrid (GaN)-Bauteile verwendet. Siehe auch die Monolithic Microwave Integrated Circuit (MMIC). Für Leistungshalbleiter wie MOSFETs (genauer: Leistungs-MOSFET) und IGBTs finden die Werkstoffe Siliciumcarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) Verwendung und bieten höhere Sperrspannungen, höhere Betriebstemperatur und schnelleres Schalten wegen der höheren Elektronenbeweglichkeit mittels HEM-Transistoren. Leistungshalbleiter basierend auf Halbleiter mit breitem Bandabstand befähigen bzw. ermöglichen moderne Leistungswandler. Die Bauelemente und die daraus resultierenden Geräte revolutionieren zudem weitere Branchen, speziell die Automobilindustrie und dort den Bereich der Elektromobilität und übergeordnet als Teil einer Dekarbonisierung des Verkehrssektors. Weitere mögliche Sektoren sind die Luftfahrt- und Verteidigungsindustrie.

Markt und Industrie

Kennzahlen Laut der taiwanischen Elektronik-Tageszeitung DigiTimes war der Markt für Silicium (Si)-basierte Leistungshalbleiter im Jahr 2016 größer als 24 Milliarden 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 Si vornehmlich in Hochleistungsanwendungen ersetzen und GaN in mittleren Leistungsbereichen.

Der Umsatz mit SiC-Halbleitern lag 2019 bei 500 Mio. USD und war bis 2025 auf 940 Mio. USD angestiegen. Für GaN-Halbleiter wird für 2026 ein Umsatz von 920 Mio. USD erwartet.

Geschäftsentwicklungen 2023 hatten ZF Friedrichshafen und Wolfspeed den Bau einer Fabrik zur Herstellung von SiC-Produkten im Saarland geplant. Bei geschätzen Gesamtkosten von von 2,75 Milliarden Euro wollte sich ZF mit 170 Mio. Euro beteiligen. Nachdem Wolfspeed ein Chapter-11-Verfahren nach US-Insolvenzrechts durchlaufen hatte, wurden die Pläne für dieses Projekt 2025 eingestellt.

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. Mit dieser 2 Mrd.-Euro-Investition ergänzt Infineon seine bereits in Villach (Österreich) bestehenden Kapazitäten zur Produktion von SiC- und GaN-Leistungshalbleitern.

Auch andere Automobilzulieferer versuchen, ihre Aktivitäten zu diversifizieren und Expertise im Bereich der Leistungshalbleiter für die Elektromobilität (Hybride und batterieelektrische Fahrzeuge) zu gewinnen. Der Halbleiter-Bereich von Bosch sichert sich im Jahr 2026 rund 225 Millionen US-Dollar aus dem US-amerikanischen CHIPS and Science Act für eine SiC-Wafer-Fab in Roseville, Kalifornien.

Siehe auch

European Semiconductor Manufacturing Company (ESMC)

Literatur

Einzelnachweise

Kategorie:Halbleiter Kategorie:Leistungselektronik Kategorie:Optoelektronik Kategorie:Photonik Kategorie:Halbleiterbauelement Kategorie:Hochfrequenztechnik Kategorie:Technikgeschichte