© Fraunhofer IISB
Auf der ICSCRM 2026 (27.9. bis 2.10.) stellt das Fraunhofer IISB Forschungsergebnisse aus den Bereichen Materialentwicklung, Prozess- und Bauelementdesign sowie -analyse und fortschrittliche Fertigungstechnologien vor, darunter auch den Einsatz innovativer Simulationsmethoden.
Das Fraunhofer IISB ist Deutschlands Hotspot für die Fertigung von Siliziumkarbid-Leistungsbauelementen in einer 150-mm-SiC-Linie. Basierend auf unserer langjährigen Projekterfahrung mit Partnern aus Industrie und Forschung bieten wir verschiedene Bauelemente-Prototypen für die Märkte der Zukunft an. Derzeit fahren wir unsere 200-mm-SiC-Linie hoch - viele Geräte und Prozesse sind bereits konfiguriert und die Inbetriebnahme der Linie ist zeitnah geplant.
4H-SiC ist aufgrund seiner herausragenden Materialeigenschaften der ideale Halbleiter für Bauelemente unter hohen Spannungen und mit hohen Leistungen. Am Fraunhofer IISB ist SiC ein Querschnittsthema der Abteilungen und in enger Zusammenarbeit mit unserer π-Fab bedienen wir die gesamte Kette von der Materialentwicklung über Prototypen bis hin zur Modulmontage und mechatronischen Systemintegration.
Unsere Kernkompetenzen
SiC-Bauelemente-Prototypen
Märkte
Wir entwickeln SiC-Epitaxieprozesse mit dem Schwerpunkt auf der Verbesserung der Materialqualität. Modernste Messverfahren wie UV-PL oder XRT und die Möglichkeit, komplette Bauelemente in unserer durchgängigen SiC-Prozesslinie herzustellen, erlauben es, die Eigenschaften der Epitaxieschichten mit den elektrischen Parametern der prozessierten Bauelemente zu korrelieren. Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen entwickeln wir Lösungen zur Vermeidung von kritischen Kristall- bzw. Bauelementdefekten.
Darüber hinaus wird das Potenzial von SiC & Diamant für Quantenanwendungen erforscht. Hier untersuchen wir insbesondere, wie sich Farbzentren in SiC oder Diamant erzeugen lassen.
Wir bieten Lösungen aus einer Hand für die Entwicklung und Prototypen-Fertigung von SiC-Bauelementen, -Schaltungen und -Systemen. Das Fraunhofer IISB betreibt dazu eine komplette 150-mm-SiC-Prozesslinie zur Erforschung und Anwendung der entsprechenden Technologien. Das breite Spektrum unseres Angebots umfasst unter anderem Machbarkeitsstudien zu neuen Bauelementekonzepten, Technologieentwicklung für Bauelementeoptimierung sowie Kleinserienfertigung für kleine und mittlere Unternehmen. Der Einsatz fortschrittlicher TCAD-Prozess- und Bauelementesimulationen unterstützt die Bauelementeentwicklung und trägt dazu bei, Markteinführungszeiten bei unseren Partnern zu verkürzen.
© Kurt Fuchs / Fraunhofer IISB
Gewinnen Sie in dem Video einen Einblick, wie die gesamte Wertschöpfungskette vom Material bis zum leistungselektronischen System durch das Angebot des Fraunhofer IISB abgedeckt wird. Unsere in Europa einzigartige 150-mm-SiC-Pilotprozesslinie ermöglicht es, Herstellungstechnologien für innovative Leistungsbauelemente zu untersuchen und zu optimieren.
Im Rahmen von EUROPRACTICE bietet das Fraunhofer IISB Zugang zu seiner 2-µm-SiC-CMOS-Technologie einschließlich NMOS- und PMOS-Transistoren sowie passiven Bauelementen und pn-Dioden für integrierte Schaltungen. Diese Schaltungen können bei Temperaturen über 300 °C (bis ca. 600 °C) betrieben werden. Zusätzliche Prozessmodule sind verfügbar für Hochvoltbauelemente, Einzeltransistoren und SiC-Bauelemente-Templates, die über CMOS-Schaltungen hinausgehen.
Zu den Anwendungen für diese Technologie gehören integrierte Schaltungen jenseits von Silizium für extreme Umgebungsbedingungen – einschließlich hoher Temperaturen und Strahlenbelastung. Darüber hinaus kann die Technologie angepasst werden, um spezielle optische SiC-Bauelemente und -Quantensensoren-Templates herzustellen.
Weitere Informationen finden Sie hier.
Das Fraunhofer IISB bietet eine Vielzahl von AVT-Lösungen für Wide-Bandgap-Bauelemente, insbesondere für SiC. Dabei werden die besonderen Eigenschaften der Bauelemente ausgenutzt, wie z. B. hohe Schaltgeschwindigkeiten, Schaltfrequenzen und Sperrspannungen sowie die Möglichkeit zum Betrieb bei hohen Temperaturen. Das AVT-Labor des Fraunhofer IISB verfügt über Technologien für verschiedene Szenarien - von speziellen Einzelbauelementen bis hin zur Kleinserienfertigung von Multichip-Modulen. Unsere Messtechnik erlaubt die komplette elektrische Charakterisierung und Zuverlässigkeitsbewertung der Module, die durch den Einsatz von fortschrittlichen Simulations- und Modellierungswerkzeugen ergänzt werden.
Am Fraunhofer IISB erforschen wir den Einsatz von innovativen SiC-Bauelementen in hocheffizienten leistungselektronischen Systemen und bewerten die Bauelemente im Hinblick auf die Nutzung im industriellen und Automotiv-Bereich.
Beispielsweise können Frequenzumrichter für elektrische Antriebe die Vorteile von SiC-Bauelementen ausnutzen. Elektromotoren sind die größten Verbraucher elektrischer Energie in der Industrie. Um die Energieeffizienz der Antriebe weiter zu steigern, werden mittlerweile fast nur noch drehzahlveränderliche Antriebe eingesetzt. Die Frequenzumrichter, welche die Antriebe mit einem Gleichstromkreis koppeln, können von den SiC-Materialeigenschaften besonders profitieren: Höhere Spannungsklassen, geringere Durchlassverluste sowie höhere Schaltfrequenzen ermöglichen höhere Leistungsdichten und eine verbesserte Gesamtsystemeffizienz.
Im Rahmen des Projekts DC INDUSTRIE werden die Gleichstromkreise der Antriebe durch ein fabrikweites Gleichstromnetz verbunden, um so unnötige Umwandlungsverluste zu vermeiden. Damit kann die Bremsenergie unmittelbar anderen Verbrauchern zugeführt werden. Für die Betriebsspannungen von bis zu 800 V sind aktuelle 1200-V-SiC-Bauelemente perfekt geeignet.
Das Fraunhofer IISB treibt die Anwendbarkeit von SiC in den Bereichen Quantentechnologien und Photonik voran. Es gehört zu den wenigen Einrichtungen, die in der Lage sind, SiC-Materialien und -Bauelemente mit den für diese Anwendungen erforderlichen Eigenschaften herzustellen.
In SiC kann Quanteninformation in den Spins von Festkörperdefekten gespeichert werden, beispielsweise in Elektronen, die in Leerstellen gefangen sind, die durch fehlende Siliziumatome im Kristallgitter entstehen. Diese Defekte lassen sich durch Hochfrequenzstrahlung manipulieren und absorbieren sowie emittieren Licht, weshalb sie als Farbzentren bezeichnet werden. Die Eignung von Farbzentren in SiC für die Quanteninformationsverarbeitung, Sensorik und Kommunikation ist bereits nachgewiesen. Für diese Anwendungen ist eine lange Lebensdauer der Quantenzustände unerlässlich, insbesondere für einen zuverlässigen Quantenspeicher, der eine extrem hohe Materialqualität erfordert, die durch die SiC-Epitaxieverfahren des Fraunhofer IISB erreicht werden kann.
Als nächsten Schritt in der Prozessierung arbeiten wir an der Herstellung von Farbzentren durch Einzelionenimplantation. Darüber hinaus enthalten SiC-Quantenbauelemente in der Regel photonische Strukturen, die eine effiziente Übertragung von Licht zu und von den Farbzentren ermöglichen. Zu unseren Services gehören solche Strukturen, einschließlich SiC-Säulen und -Linsen.
Photonik-Bauelemente werden häufig auf SiC-on-Insulator (SiCOI)-Wafern hergestellt, um die Lichtkonfinierung im Vergleich zu herkömmlichen SiC-Wafern zu verbessern. Wir bieten unseren Forschungspartnern Kleinmengen an SiCOI-Substraten sowie a-plane-SiC-Substraten mit oder ohne Epitaxieschichten an, ergänzt durch Charakterisierungs- und Bauelementmodellierungsdienstleistungen.
Die genannten Materialien und Bauelemente sind auch für klassische photonische Anwendungen wie die Lichtmodulation von großem Wert. Unser Ziel ist es, SiC als Plattform für Quantenkommunikation, Quantencomputing, Quantensensorik und nicht-quantenphotonische Anwendungen zu etablieren.
Das IISB baut mit dem europäischen Projekt TRANSFORM eine vollständige und äußerst wettbewerbsfähige europäische Lieferkette für Leistungselektronik auf Basis von Siliziumkarbid (SiC)-Leistungshalbleitern auf.
Die Partner im von der EU und dem BMBF geförderten ECSEL-Projekt TRANSFORM bauen eine äußerst wettbewerbsfähige europäische Lieferkette für die SiC-Leistungselektronik auf. Einen Schwerpunkt stellt hierbei die Entwicklung einer Halbleitertechnologie für künftige SiC-Substrate mit 200 mm Durchmesser dar, welche die Kosten für SiC-Leistungsbauelemente deutlich senken wird - aktuell sind Substrate mit 150 mm Durchmesser Stand der Technik.
Das IISB entwickelt im Joint Lab in enger Partnerschaft mit den Geräteherstellern
Der enge wissenschaftliche Austausch bietet auch den im Projekt beteiligten Substrat- und Bauelementherstellern wertvolles Feedback, um den Übergang zu 200-mm-Technologien zu beschleunigen und die Qualität und Zuverlässigkeit der Substrate, Epitaxieschichten und Bauelemente weiter zu verbessern.
TRANSFORM Homepage
X-ray topography (XRT), already on the cusp of revolutionising the quantification of dislocations in SiC wafers, is now available in a high-throughput form that accelerates progress. The article describes how lab-scale XRT allows engineers to visualise single dislocations, thus making it possible to quantify them. More info
Title page article, issue of July 28, 2019, Journal of Applied Physics
Lifetime-engineering in 4H-SiC is important to obtain a low forward voltage drop in bipolar devices with high blocking voltages. Implantation of carbon and subsequent annealing allows one to increase the minority carrier lifetime of epitaxial layers due to annihilation of carbon vacancies and, therefore, to reduce the lifetime limiting defect 𝑍1/2. In the paper, the impact of ion implantation of other ions (N, Al, B, and As) besides carbon on minority carrier lifetime and point defect concentration is studied. The authors present a model for detailed understanding of lifetime-engineering by ion implantation. With this understanding, it was possible to reduce the detrimental 𝑍1/2 defect in thick epitaxial layers with conventional shallow ion implantation and high temperature annealing and, therefore, to enhance minority carrier lifetimes.
The PhD thesis was awarded a prize of the STAEDTLER Stiftung in October 2021.
The purpose of this work was the improvement of charge compensation structures in 4H silicon carbide, such as vertical super-junction or lateral RESURF structures. Lateral RESURF LDMOS transistors were developed for an application in integrated circuits. This transistor type provides a high blocking voltage, due to an implanted nitrogen layer with the functionality of a compensation layer to the p-type epitaxial layer. Different design parameters were investigated. A comparison between TCAD simulations and measured data of different models regarding the dimensions of the LDMOS transistor was carried out. Hereby, design rules for the best electrical behavior of the transistors were derived.
Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB