Siliziumkarbid (SiC), ein revolutionäre Werkstoffe für die Hochleistungselektronik auf dem Weg zum Standard

Die moderne Elektronik steht vor der Herausforderung, immer höhere Leistungsdichten und Effizienz bei gleichzeitig kompakter Bauweise zu erreichen. Hier stößt das traditionelle Silizium (Si) zunehmend an seine physikalischen Grenzen. Eine vielversprechende Alternative, die sich in den letzten Jahren rasant entwickelt hat, ist Siliziumkarbid (SiC). Als Wide-Bandgap-Halbleiter bietet SiC gegenüber Silizium eine Reihe entscheidender Vorteile, die es zum bevorzugten Material für eine neue Generation von Hochleistungselektronik machen.

Überlegene Eigenschaften von SiC gegenüber Silizium 

Der fundamentale Unterschied zwischen SiC und Si liegt in ihrer Bandlücke. Die deutlich größere Bandlücke (Abstand zwischen Leitungsband und Valenzband) von SiC ermöglicht den Betrieb bei wesentlich höheren Temperaturen, Spannungen und Frequenzen. Dies führt zu einer drastischen Reduzierung der Schaltverluste, einer erhöhten thermischen Stabilität und einer insgesamt verbesserten Effizienz der Bauelemente. Im Vergleich zu Silizium weisen SiC-Bauelemente auch eine höhere Durchbruchsfeldstärke auf, was die Konstruktion kompakterer und leistungsfähigerer Komponenten erlaubt. Diese intrinsischen Eigenschaften prädestinieren SiC für Anwendungen in leistungselektronischen Systemen, wo es auf maximale Effizienz (geringe Verluste) und Zuverlässigkeit ankommt.

Der Wandel im Markt für Hochleistungselektronik 

Die herausragenden Eigenschaften von SiC haben einen Paradigmenwechsel im Markt für Hochleistungselektronik eingeleitet. Insbesondere in Bereichen wie der Elektromobilität, erneuerbaren Energien, der Industrieautomation und bei Datencentern ersetzen SiC-basierte Leistungshalbleiter zunehmend Silizium-Pendants. In Elektrofahrzeugen ermöglichen SiC-Wechselrichter eine höhere Reichweite und kürzere Ladezeiten. In Photovoltaik-Systemen steigern SiC-Wandler die Energieausbeute. Die Nachfrage nach SiC-Leistungshalbleitern steigt exponentiell, auch wenn nicht so schnell, wie zunächst erwartet. Namentlich die Verzögerungen bei der Einführung der Elektromobilität hat dafür gesorgt, dass derzeit eine Überproduktionskapazität existiert. Voraussichtlich wird diese Situation sich jedoch binnen weniger Jahre entspannen, da die Industrie die Vorteile dieser Technologie zunehmend erkennt und integriert.

Die Bedeutung von 8-Zoll-SiC-Wafern für die Massenproduktion 

Ein entscheidender Faktor für die weitere Marktdurchdringung von SiC ist die Skalierung der Fertigung. Traditionell wurden SiC-Bauelemente auf kleineren Wafern (z.B. 4- oder 6-Zoll) hergestellt, was die Produktionskosten relativ hoch hielt. Der Übergang zur Massenproduktion von 8-Zoll-SiC-Wafern stellt einen entscheidenden Wendepunkt dar. Größere Wafer ermöglichen eine deutlich höhere Anzahl von Chips pro Wafer, was die Stückkosten signifikant senkt und die Effizienz der Fertigungsprozesse erheblich steigert. Dieser technologische Fortschritt ist ein Game Changer, da er die wirtschaftliche Attraktivität von SiC-Bauelementen für ein breiteres Spektrum von Anwendungen erhöht und somit die globale Einführung von SiC-Technologien weiter beschleunigen wird. Die Investitionen führender Halbleiterhersteller in 8-Zoll-SiC-Fabriken unterstreichen die strategische Bedeutung dieser Entwicklung für die Zukunft der Elektronikindustrie.

Zu den führenden Herstellern und Unternehmen, die stark in die Produktion von 8-Zoll-SiC-Wafern investieren und diese anbieten oder bald anbieten werden, gehören:

• Wolfspeed: Gilt als Pionier und hat die weltweit erste und größte 8-Zoll-SiC-Fabrik in Mohawk Valley, New York, die bereits im April 2022 ihren Betrieb aufgenommen hat. Wolfspeed ist durch die Verzögerungen bei der Einführung der Elektromobilität in finanzielle Schieflage geraten. Die Errichtung eines Produktionsstandortes in Ensdorf (Saarland) ist vom Tisch.
• STMicroelectronics (ST): Produziert bereits 8-Zoll-SiC-Wafer für Prototypen und baut seine Kapazitäten aus, unter anderem durch ein Joint Venture mit Sanan Optoelectronics in China, das voraussichtlich Ende 2025 die Produktion aufnehmen wird.
• ROHM: Hat Pläne, bis Ende 2025 von 6-Zoll- auf 8-Zoll-Waferproduktion umzustellen und wird voraussichtlich Ende 2024 mit der Pilot-Produktion von 8-Zoll-SiC-Substraten in einem zweiten Werk in Japan beginnen.
• Onsemi: Hat die Erweiterung seiner SiC-Wafer-Anlage abgeschlossen und plant, bis 2025 auf 8-Zoll-Produktion umzustellen.
• Bosch: Produziert derzeit 6-Zoll-SiC-Wafer in Reutlingen, Deutschland, und hat Pläne für die Produktion von 8-Zoll-SiC-Wafern.
• Coherent Corp. (ehemals II-VI Incorporated): Ein wichtiger Akteur im Bereich SiC-Substrate, der große Erweiterungspläne für die 8-Zoll-SiC-Produktion in den USA und Schweden hat.
• Silan Microelectronics: Arbeitet an einer 8-Zoll-SiC-Leistungsbauelemente-Chip-Produktionslinie in China, deren erste Phase im ersten Quartal 2026 die Testproduktion aufnehmen soll.
• TankeBlue: Ein chinesisches Unternehmen, das bereits geringe Mengen an 8-Zoll-Substraten liefert und plant, die Lieferungen bis 2024 auf mittlere Mengen zu erhöhen.
• GlobalWafers: Hat eine eigene Technologie für die 8-Zoll-SiC-Waferproduktion entwickelt und will ab dem vierten Quartal 2024 mit der Fertigung beginnen.
• Vanguard International Semiconductor (VIS) & EPISIL: Planen die Zusammenarbeit bei der Entwicklung und Produktion von 8-Zoll-SiC-Wafer-Technologie, wobei die Massenproduktion für die zweite Hälfte des Jahres 2026 erwartet wird.
• Mitsubishi Electric: Plant die Fertigstellung seiner 8-Zoll-SiC-Anlage in Japan bis September 2025.
• United Nova Technology (UNT): Hat seine erste 8-Zoll-SiC-MOSFET-Wafer-Produktionslinie fertiggestellt und erwartet die Massenproduktion im Jahr 2025.

Es ist wichtig zu beachten, dass der Übergang zu 8-Zoll-SiC-Wafern noch relativ neu ist und viele Unternehmen ihre Produktionskapazitäten und -prozesse noch hochfahren. Die Herstellung von Wafern aus dem extrem harten Material ist erheblich schwieriger wie bei Silizium und hat derzeit noch eine höhere Ausschußrate. Wolfspeed ist (neben Infineon) derzeit das Unternehmen, das binnen kurzen Zeit 8-Zoll-SiC-Wafer liefern kann, während andere Hersteller voraussichtlich ab 2025 schrittweise mit der Lieferung beginnen werden.

Eine Innovation wird zum Massenprodukt 

Siliziumkarbid ist auf dem besten Weg, Silizium in vielen Hochleistungsanwendungen abzulösen. Die einzigartigen Materialeigenschaften von SiC in Kombination mit den Fortschritten in der Waferfertigung, insbesondere die Einführung von 8-Zoll-SiC-Wafern, schaffen die Grundlage für eine noch breitere Akzeptanz und Integration in zukünftigen elektronischen Systemen. Der Markt für SiC-basierte (und auch GaN-basierende) Hochleistungselektronik wird in den kommenden Jahren ein robustes Wachstum erfahren und eine Schlüsselrolle bei der Bewältigung globaler Herausforderungen im Bereich Energieeffizienz und Elektrifizierung spielen. Noch stellt sich die verhaltene Entwicklung bei der Elektromobilität als Hindernis für ein rasches Hochfahren der Produktion dar. Es wird jedoch erwartet, dass bis 2030 etwa 30-35% aller Silizium-Anwendungen durch SiC ersetzt werden – ein gewaltiger Markt.

 August 2025