Siliziumkarbid – Basis für künftige Hochleistungs

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Siliziumkarbid –
Basis für künftige
Hochleistungshalbleiter
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MOSFET umgeht – allerdings auf Kosten
höherer Umschaltverluste. Seit den achtziger Jahren hat der IGBT den BJT (Bipolar Junction Transistor) als Leistungshalbleiter für Sperrspannungen von einigen hundert Volt bis hinauf zu 2 kV mehr
und mehr verdrängt. Oberhalb von 2 kV
beherrscht noch immer der GTO-Thyristor
das Feld. Er kann sehr hohe Leistungen
steuern, erfordert aber gegenüber MOSFETs und IGBTs einen verhältnismäßig
großen Schaltungsaufwand.
Was der Schaltkreisentwickler sucht, ist
Als Basis für Leistungshalbleiter dürfte neben Silizium innerhalb der
also ein Bauelement, das die leichte An-
nächsten zehn Jahre zunehmend Siliziumkarbid verwendet werden,
wendbarkeit der MOSFETs mit der hohen
besonders bei Sperrspannungen über 500 V. Gegenüber den heutigen
steuerbaren Leistung der IGBTs und GTOs
Leistungshalbleitern auf Siliziumbasis haben Bauelemente aus Silizium-
in sich vereint, also auf 1 in der rechten
karbid erheblich geringere Verluste. Außerdem bewältigen sie höhere
oberen Ecke zu finden wäre. Das ist aber
Sperrspannungen und Betriebstemperaturen.
genau das, was ein MOSFET aus Siliziumkarbid bietet.
H
albleiterbauelemente, wie Dioden,
laßzustand hohe Ströme führen kann und
Siliziumkarbid-Bauelemente
Thyristoren, Transistoren und IGBTs (In-
das sich außerdem mit minimalem Ener-
Siliziumkarbid (SiC) hat eine etwa zehnmal
sulated Gate Bipolar Transistor), sind
gieaufwand und möglichst verlustlos von
so
Schlüsselkomponenten
dem einen in den anderen Zustand um-
elektrische Felder wie Silizium (Si). Da-
schalten läßt.
mit können die Verluste von Bauelemen-
stungselektronik.
Ihre
der
ABB-Lei-
Anwendungsge-
hohe
Durchschlagfestigkeit
gegen
biete sind u. a. Antriebe, Energieversor-
Dieses ideale Bauelement gibt es noch
ten aus SiC erheblich niedriger sein. Bei-
gungssysteme und schienengebundene
nicht. In der Praxis werden je nach An-
spielsweise dürften MOSFET-Strukturen
Fahrzeuge, wie Straßenbahnen und elek-
wendungsbereich unterschiedliche Schalt-
auf
trische Lokomotiven. Im oberen Teil des
elemente benutzt, die sich dem Ideal von
von
Spektrums findet man statische Blind-
verschiedenen Seiten her nähern. Die
während der Höchstwert bei entsprechen-
leistungskompensatoren und andere Aus-
hohen Leistungsverluste von Halbleiter-
den Si-Bauelementen auf 500 –1000 V
rüstungen zur Verbesserung der Ener-
Schaltelementen zwingen den Schaltkreis-
beschränkt ist.
gieübertragung, darunter auch Anlagen
entwickler häufig zur Wahl eines weniger
für die Hochspannungs-Gleichstrom-Über-
idealen Schaltelementtyps. Dieses Pro-
Schaltelementtypen die Bauweise von
tragung (HGÜ). Der Leistungsbereich für
blem verschärft sich bei höherer Span-
Systemen der Leistungselektronik revo-
ABB-Produkte mit Halbleiterbauelemen-
nung 1 .
lutioniert. So änderte die Einführung des
ten umspannt acht Größenordnungen –
In
SiC-Basis
mehreren
der
Durchbruchspannungen
Kilovolt
Vergangenheit
bewältigen,
haben
neue
Der MOSFET (Metal Oxide Semicon-
GTO, des ersten wirklichen Hochlei-
von einigen hundert Watt bis zu einigen
ductor Field Effect Transistor) kommt dem
stungsbauelements mit hohem Abschalt-
Gigawatt.
idealen Schaltelement am nächsten. Lei-
vermögen, die Bauweise elektrischer Lo-
ABB produziert selbst Leistungshalb-
der eignet er sich nur für verhältnismäßig
komotivantriebe: von Gleichstrom- und
leiter, vor allem solche mit Durchbruch-
niedrige Spannungen, da die Verluste sehr
Synchron-Fahrmotoren
spannungen über 1,5 kV. Wichtige Pro-
rasch mit der Sperrspannung ansteigen.
durch netzkommutierende Stromrichter
mit
Speisung
dukte sind hier GTO-Thyristoren (Gate
Der IGBT ist gewissermaßen ein modi-
konnte man auf Drehstrom-Fahrmotoren
Turn Off), Hochspannungsthyristoren und
fizierter MOSFET, der die Nachteile des
mit Speisung durch selbstgeführte Umrichter mit Gleichspannungs-Zwischen-
Dioden.
kreis übergehen. Bei Antrieben für die
Industrie ließen sich durch die Einführung
Das ideale Schaltelement –
bisher noch ein Wunschtraum
Dr. Karl Bergman
von IGBTs die Steuer- und Hauptstrom-
Schaltkreisentwickler wünschen sich ein
ABB Forschungszentrum
kreise vereinfachen, was zu einem verbes-
Bauelement, das im Ausschaltzustand
Västerås/Schweden
serten Betriebsverhalten und zu gesenk-
hohe Spannungen sperren und im Durch-
ten Kosten führte.
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MOSFET
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BJT
GTO
log P
1
Subjektiver Vergleich
verschiedener Typen von Halbleiterbauelementen: Praktische
Anwendbarkeit A in Abhängigkeit
von der steuerbaren Leistung P
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materials, d. h. den gesteuerten Störstel-
bereits bei Durchbruchspannungen von
lengehalt:
wenigen hundert Volt unzulässig hohe
Widerstandswerte erreicht. Außerdem er-
qN d+
dE
l
=
=
¡¡ 0
dx ¡¡ 0
IGBT
A
E
(2)
kennt man, daß der Widerstand mit der
dritten
Potenz
des
kritischen
Feldes
Hierin bedeutet l die Raumladungsdichte,
abnimmt. Da die kritische Feldstärke von
¡ die Permittivität, ¡ 0 die elektrische Feld-
SiC rund zehnmal so hoch ist wie die von
konstante, q die Elementarladung und Nd+
Si, sind die Durchlaßverluste von SiC-
die ionisierte Donatorkonzentration. Es
MOSFETs sehr viel niedriger als die der
wurde angenommen, daß die Spannung
entsprechenden Si-Bauelemente. Das gilt
durch eine niedrigdotierte n-Schicht ge-
zumindest in dem Leistungsbereich, in
sperrt wird, wie es bei den meisten Si-
dem die Durchlaßverluste vom Driftfeld
und SiC-Bauelementen der Fall ist.
beherrscht werden. Diese Erkenntnisse
Bei Annahme einer konstanten Dotier-
gelten für alle sogenannten unipolaren
dichte und durch Kombination von Gln. (1)
Bauelemente, bei denen nur ein einziger
und (2) ergibt sich:
Träger zur Stromführung verwendet wird,
Nd+ <
¡¡ 0 Emax2
2 qUb
also MOSFETs, JFETs (Junction Field Ef(3)
fect Transistors) und Schottky-Dioden.
Für eine bestimmte Durchbruchspannung
Bipolare Bauelemente für
Siliziumkarbid bewältigt
und mit der zehnmal so hohen Feldstärke,
höhere Durchbruchspannungen
zehnmal so hohe Feldstärke
wie sie bei SiC möglich ist, kann die Dotie-
Da MOSFET-Strukturen auf Si-Basis für
Um eine Spannung Ub bewältigen zu kön-
rung in der leitenden Schicht rund 100mal
Durchbruchspannungen
nen, muß die Sperrschicht eines Halb-
höher sein als bei Si.
einigen hundert Volt nicht mehr benutzt
die höchste elektrische Feldstärke Emax,
SiC-MOSFETs haben
entwickler in den höheren Spannungs-
die das Material ohne Durchbruch bewäl-
niedrigere Durchlaßverluste
bereichen
tigt, nicht überschritten wird. Die Mindest-
Ein MOSFET ist der Leistungshalbleiter
zurückgreifen. Wie aus Gl. (3) ersichtlich
dicke W der Sperrschicht ergibt sich dann
mit den sowohl für den Schaltkreisent-
ist, wird der Widerstand durch die Anzahl
aus folgender Beziehung:
wickler als auch für den Endverbraucher
der verfügbaren Ladungsträger Nd+ be-
vorteilhaftesten Eigenschaften
2 . Wie
grenzt. In bipolaren Bauelementen, wie
schon erwähnt, wurden MOSFETs jedoch
pn-Dioden, IGBTs und GTOs, wird beim
bisher nur für Durchbruchspannungen bis
Einschalten des Bauelements die Anzahl
Konstruktionsbedin-
zu wenigen hundert Volt benutzt. Eine
der Ladungsträger durch Injektion seitens
gungen kann der Faktor 2 im Zähler ent-
der Erklärungen hierfür gibt folgende
der Anoden- und Kathodenemitter erhöht.
fallen.
Beziehung:
leiters eine bestimmte Dicke haben, damit
W>
2 Ub
E max
Unter
bestimmten
(1)
von
werden können, muß der Schaltkreis-
Der größte Vorteil von SiC liegt darin,
daß es eine ungefähr zehnmal so hohe
oberhalb
rds,on =
4 Ub2
歭 0 Emax3
(4)
elektrische Feldstärke Emax bewältigt wie
Si 1). Folglich beträgt die erforderliche
rds,on ist der spezifische Widerstand (in
Dicke eines SiC-Bauelements für eine be-
1cm2) der Sperrschicht, die auch als Drift-
stimmte Spannung nur ein Zehntel eines
feld eines vertikalen MOSFET bezeichnet
entsprechenden Si-Bauelements.
wird. Der Widerstand erhöht sich mit
Die folgende Beziehung, allgemein als
breiterem Driftfeld und nimmt mit erhöhter
Maxwellsche Gleichung bekannt, berück-
Dotierung ab, da hierdurch die Anzahl der
sichtigt auch die Dotierung des Halbleiter-
Ladungsträger, die den Strom transportie-
auf
bipolare
Bauelemente
Struktur eines möglichen
2
MOSFET auf SiC-Basis.
Die n - -Schicht ist die sperrende Zone
des Bauelements und beeinflußt
weitgehend das Durchlaßverhalten.
Gate
Source
n+
p
ren, ansteigt. Das Symbol µ bezeichnet
die Beweglichkeit dieser Ladungsträger,
also gewöhnlich der Elektronen.
1)
In dieser Darstellung wird die Feldstärke Emax der
Einfachheit halber als Konstante behandelt, obwohl
sie eigentlich sowohl von der Dotierung als auch von
der Temperatur abhängig ist. Der dadurch auftretende
Fehler ist jedoch verhältnismäßig gering.
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Nach Gl. (4) erhöht sich der Widerstand
im Driftfeld des MOSFET mit dem Quadrat
der Durchbruchspannung. Bei Si werden
nn+
Drain
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SiC-Versuchssubstrate (Wafers)
verschiedener Größe mit Diodenstruktur
(Foto: IMC)
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Mikroaufnahme von Mikroschläuchen (dunkle Linien),
die durch ein Substrat verlaufen.
Diese Defekte haben einen Durchmesser von rund 1 µm.
(Foto: Universität Linköping)
Das führt zu gegenüber MOSFET-Struk-
nachlässigbar. Spannung und Strom kön-
also die durchschnittliche Zeit für die
turen dramatisch verminderten Durch-
nen während dieses Intervalls gleichzeitig
Rekombination eines Elektrons und eines
laßverlusten. Die Kathode injiziert Elektro-
sehr hohe Werte annehmen, wodurch die
Loches. Die Lebensdauer von Leistungs-
nen und die Anode Löcher. Der Strom
Umschaltverluste stark ansteigen. Für den
halbleitern ist von der Konzentration der
wird also sowohl von negativ geladenen
Vorteil relativ niedriger Durchlaßverluste
Störstellen abhängig. Sie wird vom Her-
Elektronen als auch von positiv geladenen
muß man also verhältnismäßig hohe Um-
steller bestimmt, der für jeden Halbleiter-
Löchern getragen: daher der Ausdruck
schaltverluste in Kauf nehmen.
typ und je nach Anwendungsbereich einen
angemessenen
Kompromiß
Ladungsträgerinjektion
auch in MOSFETs und anderen unipolaren
Durchlaß-
Umschaltverlusten
hat jedoch den Nachteil, daß die über-
Bauelementen ausgeräumt werden, aber
strebt.
bipolar.
Eine
Natürlich müssen die Ladungsträger
bipolare
und
zwischen
schüssige Ladung beim Ausschalten erst
die hierbei auftretenden Verluste sind nor-
ausgeräumt werden muß, bevor das Bau-
malerweise viel geringer als bei bipolaren
Bipolare SiC-Bauelemente
element wieder in den Sperrzustand
Bauelementen.
für Spannungen über 10 kV
zurückkehren kann. Diese Ausräumung
erfolgt durch einen entgegengesetzten
Der Gesamtbetrag der injizierten spezifischen Ladung qinj beträgt:
Wie schon erwähnt, greift der Schaltkreisentwickler nur dann auf bipolare Bauelemente zurück, wenn die Betriebsspan-
Strom und sogenannte Rekombination,
d. h. durch gegenseitige Neutralisierung
an-
qinj = Jo
(5)
nung für unipolare Bauelemente – MOSFET und Schottky-Dioden – zu hoch ist.
von Elektronen und Löchern. Die Zeit
für das Ausräumen von überschüssigen
J ist die Stromdichte und o die soge-
Zukünftig ermöglicht jedoch die Verwen-
Ladungsträgern ist durchaus nicht ver-
nannte Lebensdauer der Minoritätsträger,
dung von SiC bei MOSFET-Strukturen und
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Schottky-Dioden eine erheblich höhere
pische Durchbruchspannung von 6–7 kV.
SiC-Bauelemente bewältigen
Durchbruchspannung als bei Si. Es sind
Diese Spannung ist ein Kompromiß zwi-
erheblich höhere Temperaturen
also in den meisten Anwendungsberei-
schen den Kosten, den technischen
Für bipolare Leistungsbauelemente auf
chen MOSFET-Strukturen zu erwarten.
Daten sowie den Durchlaß- und Um-
Si-Basis empfiehlt sich normalerweise
Das gilt ganz besonders bei Betriebsspan-
schaltverlusten. Bei derart hohen Durch-
eine
nungen bis zu mehreren Kilovolt.
bruchspannungen ist eine Schichtdicke
während
In manchen Anwendungsgebieten, wie
von rund 1 mm und eine Ladungsträger-
MOSFETs bei Temperaturen bis 150 ˚C
bei der Blindleistungskompensation und
Lebensdauer von rund 100 µs erforder-
betrieben werden können. Physikalisch
der HGÜ, sind die Betriebsspannungen
lich, wodurch sich beträchtliche Um-
erklären sich diese Begrenzungen durch
viel höher als die höchste Durchbruch-
schaltverluste ergeben.
spannung,
die
mit
dem
Betriebstemperatur
unipolare
unter
125 ˚C,
Bauelemente
wie
höhere Streuströme, die höhere Tempera-
allerbesten
Mit SiC wird die Durchbruchspannung
turen in Rückwärtsrichtung in sperrenden
Halbleitermaterial zu erzielen ist. In sol-
der Bauelemente für diese Anwendungs-
pn-Übergängen zur Folge haben, so daß
chen Fällen hilft nach wie vor nur die
bereiche vermutlich sehr viel höher. Auch
sich die Gefahr «thermischer Lawinen» er-
Reihenschaltung von Bauelementen.
Bauelemente für Durchbruchspannungen
höht. Da die Ladungsträger-Lebensdauer
Die Durchbruchspannung der Bau-
weit über 10 kV sind denkbar. Die erfor-
zunimmt,
elemente wird so gewählt, daß sich ein
derliche Lebensdauer der Minoritätsträger
destruktive Prozesse ausgelöst werden.
Optimum zwischen Verlusten und Sy-
würde zwischen 1 und 10 µs liegen, wo-
Schließlich gehört auch eine verminderte
stemverhalten ergibt. Thyristoren für sol-
durch sich die Möglichkeit eines ange-
Beweglichkeit dazu, die zu erhöhten
che Anwendungsgebiete haben eine ty-
messenen Schaltverhaltens ergibt.
Durchlaßverlusten in unipolaren Bauele-
Das Epitaxialwachstum auf Siliziumkarbid erfolgt durch Hochfrequenz-Erwärmung
auf Temperaturen von rund 1500 ˚C.
(Foto: IMC)
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können
zudem
parasitische
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menten führt. Selbstverständlich muß die
Betriebstemperatur unterhalb derjenigen
Temperatur bleiben, bei der das Halbleitermaterial auf Eigenleitung übergeht,
die Ladungsträgerdichte also nicht mehr
von der Dotierung, sondern vom Bandabstand des Halbleiters abhängig ist.
Oberhalb dieser Grenze geht die Fähigkeit
zur
Stromsteuerung
und
Spannungs-
sperrung verloren. Für Si liegt sie bei
rund 300 ˚C.
Im Gegensatz dazu lassen sich Bauelemente auf SiC-Basis bei erheblich
höheren
Temperaturen
Streuströme
in
betreiben.
pn-Übergängen
Die
sind
außerordentlich klein, so daß sich die
Spannung auch bei Temperaturen über
300 ˚C sperren läßt. Die Grenze für Eigenleitung wird erst weit oberhalb von 1000 ˚C
erreicht.
Zum Beispiel hat eine amerikanische
Forschungsgruppe ein SiC-MOSFET bei
einer Temperatur von 650 ˚C betrieben.
Diese hohe Temperaturbelastbarkeit wird
sicherlich einige Verbesserungen in Systemen der Leistungselektronik ermöglichen.
Hierbei ist jedoch darauf hinzuweisen, daß
die erwähnten niedrigen Verluste für Betriebstemperaturen und Stromdichten gelten, wie sie für Si-Halbleiter üblich sind.
Warum sind SiC-Bauelemente
noch nicht verfügbar?
Die Vorteile von SiC-Halbleiterbauelementen sind bereits seit den sechziger Jahren
bekannt. Daß heute trotzdem immer noch
keine SiC-Bauelemente verfügbar sind,
liegt an verfahrenstechnischen Problemen.
Mikroskopisches Messen der Durchbruchspannung
einer SiC-Diode in SF6-Gas
Industriell wurde dieses Material bisher
(Foto: IMC)
6
hauptsächlich als Schleifmittel benutzt,
meistens unter dem Namen Karborund.
beherrschbaren
ausreichender Qualität für die kommer-
haben jedoch einige schwerwiegende
Drücken nicht schmelzen, sondern geht
zielle Herstellung von Halbleiterbauele-
Defekte, die als Mikroschläuche bezeich-
beim Schmelzpunkt von rund 2500 ˚C
menten zu finden. Bevor überhaupt mit
net werden 4 .
direkt in den gasförmigen Zustand über.
der Produktion begonnen werden kann,
Wie sich zeigte, kann ein einziger
Das Kristall muß deshalb aus der Gas-
ist nämlich genau wie bei Si-Halbleitern
Mikroschlauch durch einen Hochspan-
phase gezüchtet werden, was erheblich
ein monokristallines Substrat (Wafer) er-
nungs-pn-Übergang die Fähigkeit zum
komplizierter ist als bei dem bei ungefähr
forderlich. Ein Verfahren zur Herstellung
Sperren
1400 ˚C schmelzenden Silizium.
großflächiger SiC-Substrate wurde in den
zunichte machen. Die Dichte solcher
Eines der größten Hindernisse auf dem
späten siebziger Jahren entwickelt 3 . Die
Defekte konnte in den vergangenen drei
Weg zum Durchbruch der SiC-Technik ist,
nach dieser sogenannten modifizierten
Jahren von Tausenden auf 50 –100 je
ein geeignetes Substrat (Trägermaterial)
Lely-Methode
Quadratzentimeter gesenkt werden. Trotz
SiC
läßt
sich
bei
hergestellten
Substrate
der
Spannung
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vollkommen
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neuen Weltrekord erzielt hat 7 . Das ist
eine Verbesserung des früheren Rekord-
500
ergebnisses auf mehr als das Doppelte.
A/cm2
160 µm
Einen
400
p+
wichtigen
Anteil
an
diesem
Ergebnis hat die Qualität des Epitaxialmaterials. Das von der Universität Lin-
300
n-
köping entwickelte Verfahren führte zu
Schichten, die mit einer Dicke bis zu
n+
200
90 µm und einer Reinheit unterhalb von
1014/cm3 Restdotierung alle bisher be-
100
kannten
Ergebnisse
übertreffen.
Wie
schon erwähnt, sind Dicke und Reinheit
UBR
0
des Materials Schlüsselfaktoren bei der
J
Produktion von Hochspannungs-Hochlei-
-5000
V -4000
-3000
-2000
-1000
0
-100
10
stungs-Bauelementen.
Bis vor kurzem war man in Fachkreisen
U
der Meinung, die Lebensdauer der Minoritätsträger sei auf unter 100 ns begrenzt.
Die erwähnte 4,5-kV-Diode hat eine La7
Strom-Spannungs-Kennlinie und schematischer Aufbau einer
Versuchsdiode auf SiC-Basis mit einer Durchbruchspannung von 4,5 kV
J
U
UBR
p+
n–
n+
Stromdichte
Spannung
Durchbruchspannung
18
Emitter, 1,5 µm, 1 x 10 cm
Basis, 45 µm, 1 x 1015 cm–3
Substrat
dungsträger-Lebensdauer von rund 0,5 µs;
bei einigen Exemplaren wurden sogar
–3
höhere Werte beobachtet.
Obwohl bereits wichtige Fortschritte
erzielt worden sind, erfordert die kommerzielle Herstellung von SiC-Halbleitern noch
weitere Forschung und Entwicklung. Beispielsweise müßten die mit der Passivie-
dieser Verbesserungen ist die Größe der
rials von den Bauelementeherstellern ge-
rung der Oberflächen verbundenen Pro-
Bauelemente aber immer noch auf wenige
züchtet und nicht von den Substratliefe-
bleme näher studiert und die Qualität der
Quadratmillimeter
die
ranten. Das liegt daran, daß die Dotierung,
MOS-Schnittflächen verbessert werden,
Ausbeute des Verfahrens mehr als nur
also die kontrollierte Einführung von Stör-
denn beides sind kritische Faktoren für
wenige Prozent betragen soll. Damit ist
stellen durch Diffusion, bei hohen Tempe-
Leistungs-MOSFETs.
auch der höchstzulässige Strom je Bau-
raturen für SiC nicht praktikabel ist. Statt-
element auf wenige Ampere beschränkt.
dessen werden die Störstellen bei der Epi-
Um SiC-Leistungshalbleiter zu einer kom-
taxie des Materials injiziert. Für sehr flache
merziellen Realität werden zu lassen, sind
Strukturen, einschließlich der Kontakt-
deshalb weitere Verbesserungen in der
schichten, lassen sich ähnlich wie bei
Substrattechnologie erforderlich.
Silizium Ionen injizieren.
begrenzt,
wenn
Zusammen mit ihren Forschungspartnern, der Universität Linköping/Schweden
Forschung auf dem Gebiet
und dem Stockholmer Zentrum für indu-
der Siliziumkarbide
strielle Mikroelektronik (IMC) 5 , 6 , hat
ABB gehört heute zu den führenden Un-
ABB bereits einige größere Erfolge auf
ternehmen bei der Entwicklung dieser
dem Gebiet der Hochspannungs-SiC-
neuen Technik. Die Forschung bei ABB
Bauelemente erzielt.
konzentriert sich auf Verfahren zur Herstellung von Bauelementen. Dazu gehören
das Ätzen, die Auflage der Isolierschich-
Weltrekord für Diode
Adresse des Autors
ten, die Oxidation, Metallisation und Kon-
aus Siliziumkarbid
Dr. Karl Bergman
taktierung. Im Gegensatz zur Si-Techno-
Die Forschungsarbeiten führten u. a. zur
ABB Forschungszentrum
logie wird ein großer Teil des für die
Entwicklung einer SiC-Diode, die mit einer
S-72178 Västerås/Schweden
Halbleiterstruktur benötigten SiC-Mate-
Durchbruchspannung von 4,5 kV einen
Telefax: +46 (0) 21 32 32 64
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