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© pexels/sergei starostin

Spar­sam­keit und Effi­zi­enz im Umgang mit wert­vol­len Halbleitern

Die Her­stel­lung von Sili­zi­um­car­bid ist extrem ener­gie­auf­wän­dig und teuer. Für viele Anwen­dun­gen ist es aber unver­zicht­bar. Ein neues CD-Labor soll nun den Umgang mit Sili­zi­um­car­bid revolutionieren.

Für elek­tro­ni­sche Halb­lei­ter-Bau­teile wird meis­tens Sili­zium als rela­tiv kos­ten­güns­ti­ges Mate­rial ver­wen­det. Sili­zium ist jedoch nur im Bereich rela­tiv nied­ri­ger elek­tri­scher Span­nun­gen ein­setz­bar, bei hohen Span­nun­gen geht es leicht kaputt. Andere Mate­ria­lien wie etwa Sili­zi­um­car­bid haben bei höhe­ren Span­nun­gen wesent­li­che Vor­teile, sie sind sta­bi­ler und gleich­zei­tig auch ener­gie­ef­fi­zi­en­ter. Die Her­stel­lung von Sili­zi­um­car­bid benö­tigt aller­dings extrem viel Ener­gie und ist daher auch sehr teuer.

Ein nach­hal­ti­ge­rer Umgang mit auf­wän­di­gen Ressourcen
Die TU Wien hat nun einen Weg auf­ge­zeigt, die­ses Pro­blem zu lösen. Mit einer spe­zi­el­len Ätz-Tech­nik kann aus einer Sili­zi­um­kar­bid-Scheibe, einem so genann­ten Wafer, bis zu 20 Schich­ten her­ge­stellt wer­den und die las­sen sich dann alle für die Her­stel­lung elek­tro­ni­scher Bau­teile ver­wen­den. Um diese Inno­va­tion nun im Detail und anwen­dungs- bzw. wirt­schafts­ori­en­tiert aus­zu­ar­bei­ten, wurde wie­derum zusam­men mit Wirt­schafts­part­nern ein neues Chris­tian-Dopp­ler-Labor (CDL) eröff­net, das “CD Labo­ra­tory for Sus­tainable Sili­con Car­bide Technology“. 

Wie in der Pro­gramm­li­nie der Dopp­ler-Labors gene­rell vor­ge­se­hen, so wird auch die­ses Labor von der Indus­trie unter­stützt. Die Unter­neh­men Umi­core und die EV Group (EVG) über­neh­men die­sen Part und das Bun­des­mi­nis­te­rium für Arbeit und Wirt­schaft ver­ant­wor­tet die CDL-Pro­gramm­li­nie sei­tens der öffent­li­chen Hand. „Fort­schritte in der Halb­lei­ter­tech­no­lo­gie, wie die­ses CD-Labor sie anstrebt, stär­ken die füh­rende Rolle des Wirt­schafts­stand­or­tes Öster­reich. Par­al­lel wird durch die For­schungs­ar­bei­ten ein nach­hal­ti­ge­rer Umgang mit stoff­li­chen Res­sour­cen ermög­licht“, sagt Mar­tin Kocher, Arbeits- und Wirtschaftsminister. 

Gewal­ti­ger Energiebedarf
Com­pu­ter­chips arbei­ten nur mit klei­nen Span­nun­gen und win­zi­gen Strom­stär­ken. Oft muss man aber mit elek­tro­ni­schen Bau­tei­len auch hohe Ströme kon­trol­lie­ren – etwa in Lade­sta­tio­nen für Elek­tro­au­tos oder in Umrich­tern, die den Strom von Pho­to­vol­taik- oder Wind­kraft­an­la­gen an die Netz­fre­quenz anpas­sen. „Bei Span­nung über 650 Volt ist Sili­zi­um­car­bid eigent­lich das opti­male Mate­rial“, erklärt Georg Pfus­ter­schmied, der Lei­ter des neuen CD-Labors. „Aller­dings ist seine Her­stel­lung heute extrem teuer und alles andere als nachhaltig“. 

Inter­es­sant ist, dass ein Groß­teil des Sili­zi­um­car­bids eigent­lich gar nicht ver­wen­det wird. „Man muss die Sili­zi­um­car­bid-Wafer in einer gewis­sen Min­dest­di­cke her­stel­len, weil sie sich sonst tech­nisch ein­fach nicht ver­ar­bei­ten las­sen“, sagt Georg Pfus­ter­schmied. „Aber die elek­tro­ni­schen Bau­teile, die am Ende ent­ste­hen, sind meist viel dün­ner. Bei vie­len elek­tro­ni­schen Bau­ele­men­ten wird ein Groß­teil des Mate­ri­als bis­her wäh­rend der Her­stel­lung ent­fernt und bleibt ungenutzt.“

Pro­gramm­li­nie der CD-Labors auch inter­na­tio­nal ein Best-Prac­tice Modell
An der TU Wien wird das Sili­zi­um­car­bid nun durch ein spe­zi­el­les Ätz­ver­fah­ren in eine poröse Struk­tur umge­wan­delt, ähn­lich wie ein Schwamm, mit win­zi­gen Löchern auf einer Grö­ßen­skala von Nano­me­tern. Pas­siert das exakt kon­trol­liert, so kann die poröse Schicht dann abge­löst wer­den. Und wird diese poröse SiC Folie dann erhitzt, reor­ga­ni­sie­ren sich die Atome und fügen sich wie­der zu einem voll­stän­di­gen Ein­kris­tall ohne Löcher zusam­men – nun aber mit einer viel gerin­ge­ren Dicke als vorher.

Mit dem übrig­ge­blie­be­nen Sili­zi­um­kar­bidma­te­rial des Wafers kann die­selbe Pro­ze­dur wie­der­holt wer­den und so las­sen sich von einem Sili­zi­um­car­bid-Wafer nach heu­ti­gem Stand bis zu 20 dünne Folien ablö­sen – und die kön­nen dann alle für die Her­stel­lung von Bau­tei­len genutzt wer­den. Das neue CD_​Labor wurde am 2. März 2023 offi­zi­ell eröff­net. In CD-Labors arbei­ten füh­rende For­scher mit inno­va­ti­ven Unter­neh­men zusam­men. Die seit vie­len Jah­ren vom Wirt­schafts­mi­nis­te­rium getra­gene Pro­gramm­li­nie der Chris­tian Dopp­ler For­schungs­ge­sell­schaft gilt auch inter­na­tio­nal als Best-Practice-Beispiel.

Autor: red/mich/cc
07.03.2023

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