Für elektronische Halbleiter-Bauteile wird meistens Silizium verwendet – ein relativ kostengünstiges Material. Allerdings ist Silizium nur im Bereich relativ niedriger elektrischer Spannungen einsetzbar, wenn hohe Spannungen auftreten, geht es leicht kaputt. Andere Materialien – etwa Siliziumcarbid – haben bei höheren Spannungen wesentliche Vorteile: Sie sind stabiler und gleichzeitig auch energieeffizienter. Doch die Herstellung von Siliziumcarbid benötigt extrem viel Energie und ist daher auch sehr teuer.

An der TU Wien wurde ein Weg aufgezeigt, dieses Problem zu lösen: Mit einer speziellen Ätz-Technik kann man aus einer Siliziumkarbid-Scheibe, einem so genannten Wafer, bis zu 20 Schichten herstellen, die sich dann alle für die Herstellung elektronischer Bauteile verwenden lassen. Nun wurde ein Christian-Doppler-Labor eröffnet, in dem diese Technologie im Detail ausgearbeitet werden soll. Unterstützt wird das Labor von den Industriepartnern Umicore und der EV Group (EVG), sowie vom Bundesministerium für Arbeit und Wirtschaft.

„Österreich ist im Bereich der Mikrochips einer der führenden Standorte in Europa, dadurch werden langfristig Arbeitsplätze gesichert und Wohlstand generiert. Fortschritte in der Halbleitertechnologie, wie dieses CD-Labor sie anstrebt, stärken die führende Rolle des Wirtschaftsstandortes. Gleichzeitig wird durch die Forschungsarbeiten ein nachhaltigerer Umgang mit stofflichen Ressourcen ermöglicht“, betont Arbeits- und Wirtschaftsminister Martin Kocher.  "Das macht unsere CD-Labors so wertvoll: Sie bringen Wissenschaft und Wirtschaft zusammen. Davon profitieren nicht nur alle Beteiligten, sondern durch Standortsicherheit, Arbeitsplätze und nachhaltigere Produkte auch die Gesellschaft."

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 V 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. Die Herstellung von neun Siliziumcarbid-Wafern mit einem Durchmesser von sechs Zoll (ca. 15 cm) benötigt heute rund 4500 Kilowattstunden, das entspricht ungefähr dem Stromverbrauch eines durchschnittlichen Haushalts in Österreich in einem ganzen Jahr.“

Angesichts dessen ist es besonders bedauerlich, 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.“

An der TU Wien fand man aber eine Möglichkeit, das zu ändern: Das Siliziumcarbid wird durch ein spezielles Ätzverfahren in eine poröse Struktur umgewandelt, ähnlich wie ein Schwamm, mit winzigen Löchern auf einer Größenskala von Nanometern. Wenn man das auf genau kontrollierte Weise macht, kann man die poröse Schicht dann ablösen. Wenn man anschließend diese poröse SiC Folie 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 man nun dieselbe Prozedur wiederholen – so lassen sich von einem Siliziumcarbid-Wafer nach heutigem Stand bis zu 20 dünne Folien ablösen, die dann alle für die Herstellung von Bauteilen genutzt werden können.

Über Christian Doppler Labors

Das “CD Laboratory for Sustainable Silicon Carbide Technology“ wurde am 2. März 2023 offiziell eröffnet. In Christian Doppler Labors wird anwendungsorientierte Grundlagenforschung auf hohem Niveau betrieben. Hervorragende Wissenschafter_innen kooperieren dazu mit innovativen Unternehmen. Für die Förderung dieser Zusammenarbeit gilt die Christian Doppler Forschungsgesellschaft international als Best-Practice-Beispiel.

Christian Doppler Labors werden von der öffentlichen Hand und den beteiligten Unternehmen gemeinsam finanziert. Wichtigster öffentlicher Fördergeber ist das Bundesministerium für Arbeit und Wirtschaft (BMAW).

Rückfragehinweis

Dr. Georg Pfusterschmied
Institut für Sensor- und Aktuatortechnik
Technische Universität Wien
+43 1 58801 36649

Aussender:
Dr. Florian Aigner
Technische Universität Wien
PR und Marketing
Resselgasse 3, 1040 Wien