Wide-Bandgap-Halbleiter 25 Jahre SiCrystal: SiC-Wafer aus Mittelfranken

Von Gerd Kucera

Die Wurzeln der heutigen SiCrystal reichen bis in das Jahr 1994: Im Rahmen von öffentlich geförderten Forschungs- und Entwicklungsprojekten wurden an der Uni Erlangen die technologischen Grundlagen zum Herstellungsprozess von Siliziumkarbid-Volumenkristallen erarbeitet. Basierend auf den Ergebnissen folgte 1997 die Gründung der SiCrystal.

Reines Siliziumkarbid ist farblos und transparent. Durch Dotierung (Einbringen von Fremdatomen) erfährt der fertige Wafer eine leichte Einfärbung.
Reines Siliziumkarbid ist farblos und transparent. Durch Dotierung (Einbringen von Fremdatomen) erfährt der fertige Wafer eine leichte Einfärbung.
(Bild: SiCrystal)

Forschung, Technologie und Dienstleistung stehen im Mittelpunkt der Unternehmen im Nürnberger Industriestandort Nordostpark. Dort etwas versteckt am Rande eines kleinen Waldstücks ist der Firmensitz von SiCrystal. Der etablierte Hersteller produziert einkristalline Siliziumkarbid-Wafer und gehört zum japanischen ROHM-Konzern. Ausgeliefert werden die SiC-Substrate in globale Märkte.

„25 Jahre Firmengeschichte sind ein Grund zu feiern“, freut sich Geschäftsführer Robert Eckstein und blickt auf die Anfänge der SiCrystal zurück: „Seit April 1997 produziert das Unternehmen SiCrystal Siliziumkarbid-Wafer. Sie sind fast so hart wie ein Diamant und sehr hitzebeständig. Ohne diese nicht einmal einen Millimeter dicken Scheiben ist die Elektromobilität und digitale Welt heute nicht mehr vorstellbar.“

Inzwischen ist die SiCrystal eine Aktiengesellschaft mit Geschäftssitz in Nürnberg. Die schrittweise Übernahme der Aktien durch ROHM Semiconductor, 2010 abgeschlossen, war ein bedeutender Schritt zum Erfolg. Ebenso wichtig für das rasche Wachstum des spezialisierten Unternehmens zeigte sich zuvor die Zusammenlegung der SiCrystal mit dem Siemens-eigenen SiC-Produzenten Freitronics Wafer im Frühjahr 2000. Beide Firmen beschäftigten sich mit der Herstellung von Siliziumkarbid-Einkristallen und deren Weiterverarbeitung zu Siliziumkarbid-Substraten.

Siliziumkarbid für E-Mobilität und Digitalisierung

Die Forschungsarbeiten an der Universität Erlangen in den frühen 1990er Jahren legten den Grundstein zur SiCrystal im Jahr 1997. Eine Kommerzialisierung begann mit der Entwicklung und dem Sampling erster SiC-Wafer am Oberpfälzer Firmensitz Eschenfelden. Im Zuge der Übernahme durch ROHM folgte die Firmenverlegung wieder nach Erlangen. Der Merger darf als Meilenstein für beide Unternehmen gesehen werden. Viel Platz für die weitere Entwicklung sowie den Produktionsaufbau schaffte ROHM seiner 100-prozentigen Tochter schließlich mit dem Umzug nach Nürnberg an den jetzigen Firmensitz. Dort gab auch den entscheidenden Schub zur heutigen Massenproduktion der Substrate für die Leistungselektronik.

Das Unternehmen blickt nach 25 Jahren auf eine bewegte Geschichte zurück und schaut mit viel Markt- und Technologieerfahrung in eine vielversprechende Zukunft. Branchenexperten sind sich einig: Die Nachfrage nach Siliziumkarbid-Halbleiter-Wafern legt deutlich zu. ROHM will eine Spitzenposition bei SiC-Wafern und SiC-Komponenten erreichen. Für dieses Ziel stand auch der Bau einer neuen Fabrik mit fünf Geschoßwerken am japanischen Standtort Chikugo (südlich von Fukuoka).

Was Siliziumkarbid ist und woher es kommt

Siliziumkarbid ist ein auf der Erde sehr selten vorkommendes Mineral und entsteht unter hohen Temperaturen zwischen 1900 und 2000 °C entweder im Erdmantel oder beim Auftreffen geeigneter Meteoriten auf die Erde. Somit sind die Entstehungsbedingungen vergleichbar mit denen von Diamanten. Bei seinen Forschungsarbeiten entdeckte seinerzeit der englische Wissenschaftler Henry Joseph Round, dass beim Anlegen einer Spannung an einen Siliziumkarbid-Kristall-Fund dieser zum kalten Glimmen angeregt wurde. Das war 1907. Dieser nach ihm benannte Round-Effekt ist Grundlage der modernen Leuchtdiode.

Heute wird Siliziumkarbid (SiC) in großen Mengen künstlich in einem aufwändigen Prozess aus Siliziumdioxid und Kohlenstoff hergestellt. Ein hochreines Siliziumkarbid ist farblos, das technische ist schwarz-grün aufgrund des Anteils von Aluminiumoxid (Al2O3). Die Farbe des SiC-Wafers wird mit zunehmender Dotierungskonzentration dunkler. Farbe und Farbtiefe sind damit Indikatoren für Dotierungsart und Dotierungskonzentration.

Zum Einsatz kommt SiC beispielsweise für Varistoren, blaue Leuchtdioden, superschnelle Schottky-Dioden, im Sperrschicht-FET und darauf basierende elektronische Schaltkreise sowie Sensoren, die hohen Temperaturen oder hohen Dosen ionisierender Strahlung (etwa Medizintechnik) widerstehen müssen.

Als Halbleiter-Substrat ist die hohe Wärmeleitfähigkeit von SiC von Vorteil. SiC-basierte Leistungshalbleiter verkraften unter Laborbedingungen Temperaturen bis 600 °C und mehr. Traditionelles auf Silizium hat eine physikalisch bedingte maximale Betriebstemperatur um die 150 °C, die aktuell durch jüngste Prozessoptimierungen auf 200 °C verbessert wurde. Als im Jahr 2007 SiC-Leistungshalbleiter mit stabilem Betriebsverhalten für Hochtemperaturanwendungen mit Temperaturen von 200 °C bis 300 °C realisierbar wurden, begannen Halbleiterhersteller mit deren Massenfertigung.

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