Siliciumkarbid: Antrieb der grünen Energiewende

Der Aufstieg von Siliciumkarbid im Siliziumzeitalter

In der fernen Zukunft könnten Historiker unser Zeitalter als das Siliziumzeitalter bezeichnen. Auf den ersten Blick scheint das den allgegenwärtigen Siliziumchips in unseren Computern, Smartphones, Geräten und vielleicht bald sogar in unseren Gehirnen zu verdanken.

Doch das ist nicht die einzige Verwendung von Silizium, einem reichlich vorkommenden Material, das in gewöhnlichem Sand zu finden ist. Polysilizium ist die Grundkomponente der meisten Solarmodule, die uns einer solarbetriebenen Wirtschaft näherbringen.

Ein neuer, siliziumbasierter Werkstoff wird zunehmend wichtig, ist jedoch bei Investoren und der breiten Öffentlichkeit oft weniger bekannt: Siliciumkarbid.

Diese Verbindung von Silizium und Kohlenstoff ist in einigen Schlüsselmerkmalen dem reinen Silizium überlegen:

• Eine 10‑mal höhere elektrische Feldkapazität, die es ermöglicht, sehr große Leistungsbelastungen zu bewältigen.
  • Infolgedessen können Siliciumkarbid‑Bauteile kleiner sein und schneller ein‑ und ausgeschaltet werden.
• Das Dreifache der Wärmeleitfähigkeit von „normalem“ Silizium, was eine viel schnellere Wärmeabfuhr bei hohen Ladungen ermöglicht.
• Viel geringere Verluste führen zu höherer Effizienz und noch weniger unerwünschter Wärmeentwicklung.

Aufgrund dieser Eigenschaften ist Siliciumkarbid in jeder Anwendung unverzichtbar, die Hochleistungs‑ und Elektronik‑Anforderungen hat: Solarwechselrichter, Elektrofahrzeuge, industrielle Stromversorgungen usw.

Siliciumkarbid 101

Siliciumkarbid, auch bekannt als Carborundum oder SiC, kommt natürlich in Meteoriten vor, aber fast sonst nirgendwo auf der Erde.

Quelle: Global IMI

Das Material erscheint in vielen verschiedenen Kristallformen, bis zu 200 unterschiedlichen Strukturen, die jeweils leicht unterschiedliche chemische und physikalische Eigenschaften besitzen.

Quelle: MRF

Was elektrische und thermische Leitfähigkeit betrifft, übertrifft Siliciumkarbid Silizium bei fast allen messbaren Kennzahlen deutlich.

Quelle: MRF

Siliciumkarbid Produktion

Die Massenproduktion von Siliciumkarbid ist relativ einfach und wurde 1893 erstmals patentiert, wobei ein Verfahren namens elektrischer Batch‑Ofen verwendet wird. Das Verfahren erhitzt eine Mischung aus Siliziumdioxid (Sand) und Kohlenstoff (Koks) auf sehr hohe Temperaturen, typischerweise 1.600 °C‑2.500 °C (2.900 °F‑4.500 °F).

L Stickstoff und Aluminium sind häufige Verunreinigungen dieses Herstellungsprozesses, aber sie beeinflussen die elektrische Leitfähigkeit von SiC.

Alternative Verfahren, die hauptsächlich bei der Herstellung von Elektronik‑Komponenten mit höheren Reinheitsanforderungen eingesetzt werden, sind Physical Vapor Transport (PVT), Chemical Vapor Deposition (CVD) oder Liquid Phase Epitaxy (LPE).

Diese Methoden unterscheiden sich darin, wie das Siliciumkarbid zugeführt wird, teilen jedoch das Prinzip, zunächst einen Kristall zu erzeugen und diesen dann zu vergrößern. Der große Kristall wird anschließend in extrem dünne Scheiben, die Siliciumkarbid‑Wafer, geschnitten – ähnlich wie bei Silizium‑Wafern für die Elektronikproduktion.

Quelle: MRF

Insgesamt ist der Herstellungsprozess und die Lieferkette von Siliciumkarbid der von Silizium sehr ähnlich, mit vergleichbaren CVD‑Verfahren, Wafern usw.

Da das Material über 200 Kristallformen verfügen kann, muss der Produktionsprozess getestet und für die Großproduktion exakt berechnet werden. Informationen zu diesen Prozessen sind in der Regel firmenspezifisch proprietär, sodass in den Anfangsphasen Forschung und Entwicklung nötig sind, um ein spezifisches Verfahren zur Herstellung von Siliciumkarbid zu etablieren.

Die Hälfte der weltweiten Siliciumkarbid‑Produktion befindet sich in China, und die Produktionskapazität wird voraussichtlich bis 2027 fast vervierfachen im Vergleich zum Niveau von 2023.

Quelle: McKinsey

Siliciumkarbid Märkte

Siliciumkarbid ist 2024 noch ein kleiner Markt, der nur 4,2 Mrd. $ wert ist. Es wird jedoch voraussichtlich extrem schnell mit 34,5 % CAGR wachsen und bis 2034 ein Volumen von 80,2 Mrd. $ erreichen.

Quelle: Markets & Markets

Power‑Anwendungen (SiC‑Module) werden den größten Teil des Wachstums ausmachen und die Gesamtnachfrage nach Siliciumkarbid weiter nach oben treiben.

Der Markt lässt sich in schwarzes Siliciumkarbid (mit Metallverunreinigungen) und grünes Siliciumkarbid (hochreines SiC) unterteilen.

Schwarzes Siliciumkarbid wird hauptsächlich für preisgünstige Schleifmittel produziert, während grünes Siliciumkarbid bzw. die direkte Kristallproduktion („andere Typen“) das Rohmaterial für High‑Tech‑Anwendungen darstellt.

Quelle: Global Market Insights

Im Bereich Power‑Anwendungen werden Elektrofahrzeuge und andere grüne Fahrzeuge (Hybrid, Brennstoffzelle usw.) den Haupttreiber für die steigende Nachfrage nach Siliciumkarbid darstellen.

Quelle: McKinsey

Siliciumkarbid Anwendungen

Siliciumkarbid in Elektrofahrzeugen

Bei weitem die wichtigste Anwendung von Siliciumkarbid im kommenden Jahrzehnt ist die Leistungselektronik, wo dieses Material am unersetzlichsten ist.

Der größte Teil dieses Segments sind Elektrofahrzeuge, die voraussichtlich jährlich um 31 % wachsen. SiC ist nicht nur in der Leistungselektronik und den Controllern präsent, sondern auch in der Batterie, im Überwachungssystem und in den Ladegeräten, sowohl im Auto als auch an der Ladestation.

Quelle: EV Mechanica

Bereits 2023 wurde demonstriert, dass ein Siliciumkarbid‑Wechselrichter die Reichweite eines Elektrofahrzeugs um 7 % erhöhen kann. Seitdem haben viele neuere EV‑Designs begonnen, mehr SiC‑Komponenten zu integrieren.

Das Nachfragewachstum aus dem EV‑Segment könnte sogar unterschätzt werden, falls ein Umstieg auf elektrische Schwerlastfahrzeuge wie Lkw erfolgt, die ein viel leistungsfähigeres Ladesystem und ausreichend Batteriepacks benötigen, um Dutzende von EVs zu betreiben.

Siliciumkarbid ist zudem entscheidend für sogenannte „Supercharger“, ein Schlüssel zur Lösung eines Widerstandspunkts bei der EV‑Akzeptanz, mit dem Ziel, die Ladezeit auf wenige Minuten zu reduzieren.

Der geringere thermische Stress und die konstantere Stromversorgung sollten zudem die Lebensdauer der Batterien erhöhen.

Siliciumkarbids Rolle in Grüner Energie und Solar

SiC‑basierte Wechselrichter für Solarenergie können bis zu 99 % Effizienz erreichen, verglichen mit herkömmlichen Silizium‑Wechselrichtern, die nur 96‑98 % Effizienz bieten. Auch wenn das klein erscheint, kann es über die Lebensdauer einer Solaranlage zu einer großen Energiemenge führen.

Siliciumkarbid ist zudem deutlich hitzebeständiger, es hält Temperaturen bis zu 300 °C stand, während Silizium‑Geräte im Allgemeinen auf 150 °C begrenzt sind, und verträgt 10‑mal höhere Spannungen.

Insgesamt sind SiC‑Wechselrichter effizienter, langlebiger, kleiner und günstiger als ältere, siliziumbasierte Wechselrichter.

Weitere High‑Tech‑Anwendungen für Siliciumkarbid

Siliciumkarbid wird zunehmend in vielen Anwendungen wie der Robotik eingesetzt, wo die überlegene Leistung von SiC es ermöglicht, den Motorantrieb kleiner zu machen und direkt in den Gelenken zu platzieren, wodurch Komplexität und Verkabelung stark reduziert werden.

Quelle: Arrow

Sie gewinnen zudem an Bedeutung in Rechenzentren, wo immer leistungsfähigere Chips und der Energiebedarf von KI stärkere Stromversorgungen und Steuerungselektronik erfordern, als Silizium liefern kann.

Ein Siliciumkarbid‑Kristall wurde 1907 bei der Erzeugung der ersten LED verwendet. In den 1970er‑ und 1980er‑Jahren wurde er sowohl in westlichen Ländern als auch in der Sowjetunion massenproduziert. Später wurde er durch Galliumnitrid ersetzt, das 10‑100‑mal helleres Licht erzeugt und zur heutigen Massenadoption von LEDs führte.

SiC wird jedoch weiterhin in LEDs als Substrat verwendet, auf dem Galliumnitrid abgeschieden wird, und zur Wärmeableitung in leistungsstarken LEDs.

Schleifmittel

SiC ist ein sehr hartes Material und wird deshalb als Schleifmittel in Schleifscheiben, Schleifpapier und anderen Schleifprodukten zum Bearbeiten von Metallen und Keramiken eingesetzt. In der Regel wird dafür das niedrigere, billigere und impuritätsreiche schwarze SiC verwendet.

Höherwertige SiC‑Qualitäten kommen in Schneidwerkzeugen zum Einsatz, wobei die extrem hohe Härte des Materials genutzt wird; die höhere Reinheit macht es dabei noch stärker und weniger spröde.

Schutzmaterialien

Die Kombination aus hoher Härte und thermischer Beständigkeit macht SiC auch in anderen Anwendungen wichtig. Es wird in der Regel zu harten Keramiken sintern (teilweise Schmelzen).

Eine Anwendung ist die Produktion von keramischen kugelsicheren Panzerplatten, insbesondere für persönliche Körperpanzer, wo SiC 27 % des Marktes kontrolliert, aber auch für Hubschrauber‑Panzerungen.

Diese gehärteten Keramiken werden auch in Autobremsen und Kupplungen eingesetzt.

Siliciumkarbid‑Keramiken finden ebenfalls Anwendung in der Luft- und Raumfahrt, zum Beispiel in der äußeren thermischen Schutzschicht des NASA‑LOFTID‑aufblasbaren Hitzeschilds.

Eine weitere weltraumbezogene Anwendung von SiC ist die Herstellung astronomischer Teleskope, wobei die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) die Produktion großer SiC‑Scheiben für Spiegel ermöglicht. Der niedrige Wärmeausdehnungskoeffizient kann zudem als Träger für die hochpräzise Mechanik der Teleskope dienen.

Chemische Katalyse

Die hohe Reaktivität von Siliciumkarbid gegenüber Elektrizität macht es zu einem potenziellen Kandidaten für neue Formen der Elektrokatalyse. Diese Reaktionen basieren meist auf einer Form von Siliciumkarbid‑Kristallen, dem kubischen Siliciumkarbid, das eine größere Oberfläche bietet.

Zum Beispiel wurde kürzlich entdeckt, dass es ein guter Kandidat für verbesserte Photokatalyse von Wasserstoff ist, also die direkte Spaltung von Wasser in Wasserstoff durch Sonnenlicht.

Kubischer Siliciumkarbid kann auch als Katalysator‑Träger für die Oxidation von Kohlenwasserstoffen verwendet werden.

Schließlich könnte Siliciumkarbid zur Herstellung von Graphen‑Halbleitern genutzt werden.

Kernenergie

Siliciumkarbid hat eine sehr starke Fähigkeit, Neutronen zu absorbieren, weshalb es als Ummantelung für Kernbrennstoffe sowie zur Eindämmung von Atommüll verwendet wird.

SiC‑Sensoren werden eingesetzt, um Strahlungspegel in Kernanlagen und anderen Strahlungsdetektionsanwendungen (Umwelt, medizinische Umgebung usw.) zu überwachen.

Die Strahlungs‑ und Temperaturbeständigkeit von SiC macht es zu einem geeigneten Material für weltraumgebundene Kernreaktoren, ein wachsendes Feld mit NASA‑ und anderen Nationen‑Plänen für den Mond und eventuell Mars‑Basen.

Schmuck

Ein auf Kohlenstoff basierender Kristall, SiC, teilt viele Eigenschaften mit Diamant (reiner Kohlenstoff) und ist in der Schmuckindustrie als „synthetisches Moissanit“ bekannt. Er kann leicht mit Diamanten verwechselt werden.

Quelle: MRF

Risiken durch Seltene Erden mit SiC mindern

Da Handelskriege, Zölle und Sanktionen die Handelsbeziehungen zwischen den USA und China stören, steht die Automobilindustrie vor dem ernsthaften Problem, dass möglicherweise chinesische Seltene‑Erden‑Materialien knapp werden, wie zum Beispiel die Schließung einer Ford‑Fabrik.

“Es ist Tag für Tag. Wir mussten Fabriken schließen. Es ist gerade jetzt ein Überlebenskampf.”

Jim Farley – Ford‑CEO

Dies ist ein Bereich, in dem SiC helfen kann, dank der Möglichkeit, separat erregte Synchronmotoren zu bauen, wodurch der Bedarf an Permanentmagneten, die Seltene Erden benötigen, entfällt.

Während einerseits Siliciumkarbid‑Unternehmen leiden könnten, wenn die EV‑Lieferkette stark gestört wird, könnten andererseits ihre Produkte in zukünftigen EV‑Designs stärker übernommen werden, um die Abhängigkeit von chinesischen Selten‑Erden‑Versorgungen zu reduzieren.

Fazit

Siliciumkarbid ist kein neuer Werkstoff, doch die Massenproduktion von ultra‑reinen und kleinen Elektronikbauteilen daraus, mit deutlich überlegenen elektrischen Eigenschaften, ist es.

Es hat die Tür zu vielen neuen Anwendungen geöffnet, die derzeit breit eingesetzt werden, um ältere siliziumbasierte Optionen in einer Vielzahl schnell wachsender Branchen zu ersetzen, insbesondere im EV‑ und Solar‑Energiesektor.

Je mehr die globale Industrie und der Verkehr elektrifiziert werden, desto mehr Siliciumkarbid wird benötigt, da intensivere Leistungsanforderungen stärkere Ladegeräte, Batterien und Controller erfordern, um schnelles und sicheres Laden, langlebigere Batterien usw. zu ermöglichen.

Abgesehen von diesen Anwendungen wird die Massenproduktion von SiC und die Verbesserung der Herstellungsverfahren voraussichtlich die Produktionskosten senken. Infolgedessen werden andere Anwendungen wie Panzerungen, Hitzeschilde, Luft‑ und Raumfahrt sowie Werkzeugbau voraussichtlich vermehrt SiC einsetzen.

Schließlich öffnen sich weiterhin neue potenzielle Anwendungsfelder, insbesondere die Möglichkeit, Siliciumkarbid für die Produktion von grünem Wasserstoff zu nutzen.

Insgesamt wird Siliciumkarbid in Zukunft wahrscheinlich einem breiteren Publikum bekannter sein. Mit einer erwarteten CAGR von 20‑30 % im kommenden Jahrzehnt könnten Investoren dieses kleine, aber schnell wachsende Teilsegment der Halbleiterindustrie im Auge behalten.

Siliciumkarbid Unternehmen

ON Semi

ON Semi ist ein Halbleiterunternehmen, das sich auf Elektrifizierung spezialisiert hat, einschließlich im Automobilbereich, aber auch in anderen Sektoren wie Solarenergie, Batterien, Luft‑ und Raumfahrt, Telekommunikation, Rechenzentren und Medizin.

Damit ist es ein wichtiger Partner für viele der größten Industrieunternehmen der Welt.

Quelle: ON Semi

Ein großer Teil von ON Semis technologischem Vorsprung beruht auf Siliciumkarbid, insbesondere bei sehr hohen Leistungsbelastungen, die für das Schnellladen von Elektrofahrzeugen erforderlich sind.

ON Semis Strategie, stark auf Siliciumkarbid zu setzen, führte in den letzten Jahren zu einem massiven Umsatzsprung, getragen von der EV‑Revolution.

Quelle: ON Semi

Siliciumkarbid‑Sensoren sind sowohl energieeffizienter als auch leistungsfähiger bei schlechten Lichtverhältnissen, was für den Bau sicherer autonomer Fahrzeuge entscheidend sein wird.

ON Semis Siliciumkarbid‑Produkte werden zudem in allen Größen von Solarenergie‑Installationen, Rechenzentren und Sensoren aller Art (ultraschall, elektrochemisch, wie Blutzuckermessungen, und metallische Objekterkennung) eingesetzt.

Im Zuge der Elektrifizierungswelle kontrolliert ON Semi 10 % der globalen SiC‑Umsätze und gehört zu den führenden nordamerikanischen Unternehmen im Sektor, im Wettbewerb mit europäischen Firmen wie Infineon (IFNNY) und dem breiteren Halbleiterunternehmen STMicroelectronics (STM ).

Quelle: McKinsey

Da sich die westlichen industriellen Lieferketten von chinesischen Quellen zurückziehen, wird ON Semi voraussichtlich stark von der Elektrifizierung profitieren, insbesondere im Bereich EVs und anderer grüner Energien.

(Sie können auch einen ausführlicheren Bericht über dieses Unternehmen lesen in “On Semiconductor (ON): Siliciumkarbid treibt die Elektrifizierung an”.)

Aehr ist ein Halbleiterunternehmen mit Spezialisierung auf Siliciumkarbid.

Genauer gesagt produziert das Unternehmen Geräte zum Testen von Siliciumkarbid‑Wafern. Das verschafft ihm eine Präsenz im EV‑Automobilsektor, bei Smartphones, Computerchips und Photonik/Telekommunikation.

Quelle: Aehr

Damit ist Aehr ein sehr nischiges und technisches Unternehmen und ein entscheidendes Glied in der Lieferkette. Es behauptet, „auf dem Weg zu werden zum Industriestandard für einen kritischen Fertigungsschritt für Siliciumkarbid‑Leistungshalbleiter“ zu sein.

Aehr entwickelt zudem aktiv neue Märkte, insbesondere den Gallium‑Nitid‑Burn‑In‑Markt, der in Hochleistungs‑Anwendungen wie Photovoltaik‑Wechselrichtern eingesetzt wird und somit sowohl in Alternativen zu siliziumbasierten Leistungselektroniken präsent ist.

Dies verschafft Aehr eine sehr diversifizierte Kundenbasis, die das Who’s‑Who der Halbleiter‑ und Werkzeugindustrie umfasst, darunter TSMC, Texas Instruments (TXN ), Seagate, Nvidia (NVDA ), Cisco, Qualcomm (QCOM ) und Bosch.

Quelle: Aehr

Das Unternehmen könnte stark von aufkommenden neuen Segmenten in der Halbleiterindustrie profitieren, wie etwa Silizium‑Photonik.

In der Zwischenzeit, indem es eine kleine und wichtige Nische (Siliciumkarbid‑Testing) innerhalb einer anderen Nische in der EV‑Lieferkette (Siliciumkarbid‑Leistungselektronik) besetzt, ist Aehr gut positioniert, vom Wachstum des EV‑Produktionsvolumens zu profitieren, unabhängig von der neuesten Batterietechnologie, dem Fahrzeugmodell oder Änderungen bei den Ladesteckern.

Nach einem massiven Kursanstieg im Jahr 2023, am Höhepunkt der Begeisterung für jede EV‑bezogene Aktie, ist das Unternehmen nun wieder zu einer vernünftigeren Bewertung zurückgekehrt und stellt eine „Pick‑and‑Shovel“-Option für Investoren im Siliciumkarbid‑Sektor dar.