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SiC-Wafer (Siliziumkarbid auf Isolator) SiC-Film auf Silizium

SICOI (Siliziumkarbid auf Isolator) Wafer SiC-Film auf Silizium Titelbild
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Kurzbeschreibung:

Siliziumkarbid-auf-Isolator (SICOI)-Wafer sind Halbleitersubstrate der nächsten Generation, die die überlegenen physikalischen und elektronischen Eigenschaften von Siliziumkarbid (SiC) mit den hervorragenden elektrischen Isolationseigenschaften einer isolierenden Pufferschicht, wie beispielsweise Siliziumdioxid (SiO₂) oder Siliziumnitrid (Si₃N₄), vereinen. Ein typischer SICOI-Wafer besteht aus einer dünnen epitaxialen SiC-Schicht, einer dazwischenliegenden Isolierschicht und einem Trägersubstrat, das entweder aus Silizium oder SiC bestehen kann.


Merkmale

Detailliertes Diagramm

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Einführung von Siliziumkarbid-auf-Isolator (SICOI)-Wafern

Siliziumkarbid-auf-Isolator (SICOI)-Wafer sind Halbleitersubstrate der nächsten Generation, die die überlegenen physikalischen und elektronischen Eigenschaften von Siliziumkarbid (SiC) mit den hervorragenden elektrischen Isolationseigenschaften einer isolierenden Pufferschicht, wie beispielsweise Siliziumdioxid (SiO₂) oder Siliziumnitrid (Si₃N₄), vereinen. Ein typischer SICOI-Wafer besteht aus einer dünnen epitaxialen SiC-Schicht, einer dazwischenliegenden Isolierschicht und einem Trägersubstrat, das entweder aus Silizium oder SiC bestehen kann.

Diese Hybridstruktur wurde speziell für die hohen Anforderungen von Hochleistungs-, Hochfrequenz- und Hochtemperatur-Elektronikbauteilen entwickelt. Durch die Integration einer Isolierschicht minimieren SICOI-Wafer parasitäre Kapazitäten und unterdrücken Leckströme. Dies gewährleistet höhere Betriebsfrequenzen, einen besseren Wirkungsgrad und ein optimiertes Wärmemanagement. Aufgrund dieser Vorteile sind sie in Branchen wie Elektrofahrzeugen, 5G-Telekommunikationsinfrastruktur, Luft- und Raumfahrtsystemen, fortschrittlicher HF-Elektronik und MEMS-Sensortechnologien äußerst wertvoll.

Produktionsprinzip von SICOI-Wafern

SICOI-Wafer (Siliciumcarbid auf Isolator) werden durch ein fortschrittliches Verfahren hergestellt.Wafer-Bonding- und Dünnungsprozess:

  1. SiC-Substratwachstum– Als Donormaterial wird ein hochwertiger einkristalliner SiC-Wafer (4H/6H) verwendet.

  2. Abscheidung der Isolierschicht– Auf dem Trägerwafer (Si oder SiC) bildet sich ein isolierender Film (SiO₂ oder Si₃N₄).

  3. Wafer Bonding– Der SiC-Wafer und der Trägerwafer werden unter Hochtemperatur- oder Plasmaunterstützung miteinander verbunden.

  4. Ausdünnen und Polieren– Der SiC-Donor-Wafer wird auf wenige Mikrometer ausgedünnt und poliert, um eine atomar glatte Oberfläche zu erzielen.

  5. Endabnahme– Der fertige SICOI-Wafer wird auf Dickengleichmäßigkeit, Oberflächenrauheit und Isolationsleistung geprüft.

Durch diesen Prozess wird eindünne aktive SiC-Schichtmit ausgezeichneten elektrischen und thermischen Eigenschaften wird mit einer Isolierfolie und einem Trägersubstrat kombiniert, wodurch eine Hochleistungsplattform für Leistungs- und HF-Bauelemente der nächsten Generation entsteht.

SiCOI

Hauptvorteile von SICOI-Wafern

Feature-Kategorie Technische Merkmale Kernvorteile
Materialstruktur 4H/6H-SiC-Aktivschicht + Isolierschicht (SiO₂/Si₃N₄) + Si- oder SiC-Träger Erreicht eine starke elektrische Isolation, reduziert parasitäre Störungen
Elektrische Eigenschaften Hohe Durchschlagsfestigkeit (>3 MV/cm), geringe dielektrische Verluste Optimiert für Hochspannungs- und Hochfrequenzbetrieb
Thermische Eigenschaften Wärmeleitfähigkeit bis zu 4,9 W/cm·K, stabil oberhalb von 500 °C Effektive Wärmeableitung, hervorragende Leistung unter hoher thermischer Belastung
Mechanische Eigenschaften Extrem hohe Härte (Mohs 9,5), niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient Robust gegenüber Belastungen, verlängert die Lebensdauer des Geräts
Oberflächenqualität Ultra-glatte Oberfläche (Ra <0,2 nm) Fördert fehlerfreie Epitaxie und zuverlässige Bauelementfertigung
Isolierung Spezifischer Widerstand >10¹⁴ Ω·cm, geringer Leckstrom Zuverlässiger Betrieb in HF- und Hochspannungsisolationsanwendungen
Größe & Anpassung Erhältlich in den Formaten 4, 6 und 8 Zoll; SiC-Schichtdicke 1–100 μm; Isolationsdicke 0,1–10 μm Flexibles Design für unterschiedliche Anwendungsanforderungen

 

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Kernanwendungsbereiche

Anwendungsbereich Typische Anwendungsfälle Leistungsvorteile
Leistungselektronik Wechselrichter für Elektrofahrzeuge, Ladestationen, industrielle Stromversorgungsgeräte Hohe Durchbruchspannung, reduzierte Schaltverluste
RF & 5G Basisstations-Leistungsverstärker, Millimeterwellenkomponenten Geringe parasitäre Effekte, unterstützt den Betrieb im GHz-Bereich
MEMS-Sensoren Drucksensoren für raue Umgebungen, MEMS in Navigationsqualität Hohe thermische Stabilität, strahlungsbeständig
Luft- und Raumfahrt & Verteidigung Satellitenkommunikation, Avionik-Stromversorgungsmodule Zuverlässigkeit bei extremen Temperaturen und Strahlungseinwirkung
Intelligentes Stromnetz HGÜ-Umrichter, Halbleiter-Leistungsschalter Eine hohe Isolierung minimiert den Leistungsverlust.
Optoelektronik UV-LEDs, Lasersubstrate Hohe Kristallqualität unterstützt effiziente Lichtemission

Herstellung von 4H-SiCOI

Die Herstellung von 4H-SiCOI-Wafern erfolgt durchWafer-Bonding- und DünnungsverfahrenDadurch werden hochwertige isolierende Grenzflächen und fehlerfreie aktive SiC-Schichten ermöglicht.

  • aSchematische Darstellung der Herstellung der 4H-SiCOI-Materialplattform.

  • bAbbildung eines 4-Zoll-4H-SiCOI-Wafers nach dem Bonden und Ausdünnen; Defektzonen markiert.

  • cCharakterisierung der Dickengleichmäßigkeit des 4H-SiCOI-Substrats.

  • dOptische Abbildung eines 4H-SiCOI-Chips.

  • eProzessablauf zur Herstellung eines SiC-Mikroscheibenresonators.

  • f: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines fertigen Mikroscheibenresonators.

  • g: Vergrößerte REM-Aufnahme der Resonatorseitenwand; AFM-Einsatz zeigt die Oberflächenglätte im Nanobereich.

  • h: Querschnitts-REM-Aufnahme, die die parabelförmige Oberseite zeigt.

Häufig gestellte Fragen zu SICOI-Wafern

Frage 1: Welche Vorteile bieten SICOI-Wafer gegenüber herkömmlichen SiC-Wafern?
A1: Im Gegensatz zu Standard-SiC-Substraten verfügen SICOI-Wafer über eine Isolierschicht, die parasitäre Kapazitäten und Leckströme reduziert, was zu einem höheren Wirkungsgrad, einem besseren Frequenzgang und einer überlegenen thermischen Leistung führt.

Frage 2: Welche Wafergrößen sind üblicherweise verfügbar?
A2: SICOI-Wafer werden üblicherweise in den Formaten 4 Zoll, 6 Zoll und 8 Zoll hergestellt, wobei je nach Geräteanforderungen kundenspezifische SiC- und Isolierschichtdicken verfügbar sind.

Frage 3: Welche Branchen profitieren am meisten von SICOI-Wafern?
A3: Zu den Schlüsselindustrien gehören Leistungselektronik für Elektrofahrzeuge, HF-Elektronik für 5G-Netze, MEMS für Sensoren in der Luft- und Raumfahrt sowie Optoelektronik wie UV-LEDs.

Frage 4: Wie verbessert die Isolierschicht die Leistung des Geräts?
A4: Die Isolierschicht (SiO₂ oder Si₃N₄) verhindert Stromverluste und reduziert elektrisches Übersprechen, was eine höhere Spannungsfestigkeit, effizienteres Schalten und geringere Wärmeverluste ermöglicht.

Frage 5: Sind SICOI-Wafer für Hochtemperaturanwendungen geeignet?
A5: Ja, dank ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit und Beständigkeit gegenüber Temperaturen über 500°C sind SICOI-Wafer so konzipiert, dass sie auch unter extremen Hitzebedingungen und in rauen Umgebungen zuverlässig funktionieren.

Frage 6: Können SICOI-Wafer kundenspezifisch angepasst werden?
A6: Absolut. Die Hersteller bieten maßgeschneiderte Designs für spezifische Dicken, Dotierungsgrade und Substratkombinationen an, um den vielfältigen Forschungs- und Industrieanforderungen gerecht zu werden.

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