Wesentliche elektronische Materialien: Teil 2 - Siliziumkarbid
1 Einleitung
Siliziumkarbid (SiC) ist ein Breitband-Halbleitermaterial mit hervorragenden Eigenschaften wie hoher Härte, hoher Wärmeleitfähigkeit, hoher Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit. Im Bereich der Elektronik wird SiC aufgrund seiner Fähigkeit, bei hohen Temperaturen, hohem Druck und hohen Frequenzen stabil zu arbeiten, häufig in der Leistungselektronik eingesetzt, insbesondere in Elektrofahrzeugen, der 5G-Kommunikation, der photovoltaischen Stromerzeugung und der Luft- und Raumfahrt. Im Vergleich zu herkömmlichen Siliziummaterialien ermöglicht Siliziumkarbid eine effizientere Energieumwandlung, einen geringeren Stromverbrauch und eine längere Lebensdauer der Geräte, was es zu einer idealen Wahl für elektronische Hochleistungsgeräte macht.
2 Grundlegende Eigenschaften von Siliziumkarbid
Siliziumkarbid, eine anorganische Substanz mit der chemischen Formel SiC, wird bei hohen Temperaturen in Widerstandsöfen aus Rohstoffen wie Quarzsand, Petrolkoks (oder Steinkohlenkoks) und Holzspänen geschmolzen (zur Herstellung von grünem Siliziumkarbid wird Kochsalz hinzugefügt). Siliciumcarbid kommt in der Natur als Halbleiter in Form des extrem seltenen Minerals Moissanit vor. Es wird seit 1893 als Pulver und Kristalle in Massenproduktion hergestellt und als Schleifmittel verwendet. Unter den nichtoxidischen hochtechnologischen feuerfesten Rohstoffen wie C, N, B usw. ist Siliciumcarbid der am weitesten verbreitete und wirtschaftlichste und kann als goldener Stahlsand oder feuerfester Sand bezeichnet werden.
Abb. 1 Siliziumkarbidplättchen
Schwarzes Siliciumcarbid und grünes Siliciumcarbid, zwei häufig verwendete Sorten, sind α-SiC. Schwarzes Siliciumcarbid enthält etwa 95 % SiC und hat eine höhere Zähigkeit als grünes Siliciumcarbid. Es wird hauptsächlich für die Bearbeitung von Werkstoffen mit geringer Zugfestigkeit verwendet, z. B. Glas, Keramik, Stein, feuerfeste Materialien, Gusseisen und Nichteisenmetalle. Grünes Siliziumkarbid mit einem SiC-Gehalt von ca. 97% oder mehr hat eine gute Selbstschärfe und wird vor allem bei der Bearbeitung von Hartmetall, Titanlegierungen und optischem Glas verwendet, aber auch zum Honen von Zylinderlaufbuchsen und zum Präzisionsschleifen von Schneidwerkzeugen aus Hochgeschwindigkeitsstahl. Darüber hinaus gibt es kubisches Siliziumkarbid, es ist ein spezielles Verfahren der gelb-grünen Kristalle, verwendet, um das Schleifmittel geeignet für ultra-feine Bearbeitung von Lagern, die die Oberflächenrauhigkeit von Ra32 ~ 0,16 Mikrometer auf Ra0,04 ~ 0,02 Mikrometer der einmaligen Verarbeitung machen kann.
SiC ist ein typisches binäres Verbindungshalbleitermaterial, und die Grundeinheit seiner Kristallstruktur ist ein Tetraeder mit vierfacher Symmetrie, d.h. SiC4 oder CSi4, wobei der Abstand zwischen zwei benachbarten Si-Atomen oder zwei C-Atomen 3,08 Å beträgt und der Abstand zwischen benachbarten C- und Si-Atomen nur etwa 1,89 Å. In SiC-Kristallen bilden Si- und C-Atome sehr starke tetraedrische kovalente Bindungen (Bindungsenergie von 4,6 eV), indem sie sich Elektronenpaare auf sp3-hybridisierten Orbitalen teilen. Sie teilen sich Elektronenpaare auf den sp3-Hybridorbitalen, um sehr starke tetraedrische kovalente Bindungen zu bilden (Bindungsenergie von 4,6 eV).
Reines Siliciumcarbid ist ein farbloser und transparenter Kristall. Industrielles Siliciumcarbid ist je nach Art und Gehalt an Verunreinigungen hellgelb, grün, blau oder sogar schwarz, und seine Transparenz variiert mit seiner Reinheit. Die Kristallstruktur von Siliciumcarbid wird in hexagonales oder rhombisches α-SiC und kubisches β-SiC (auch kubisches Siliciumcarbid genannt) unterteilt. α-SiC ist aufgrund seiner Kristallstruktur aus Kohlenstoff- und Siliciumatomen in der Stapelung unterschiedlicher Sequenzen und in verschiedenen Varianten in mehr als 70 Arten zu finden. β-SiC in 2100 ℃ oder mehr, wenn die Umwandlung von α-SiC. α-SiC ist die häufigste Art von Kristall, β-SiC ist das kubische Kristallsystem, auch bekannt als kubisches Siliziumkarbid. Es ist auch als kubisches Siliciumcarbid bekannt. Bislang hat β-SiC relativ wenig kommerzielle Verwendung gefunden, obwohl es aufgrund seiner größeren Oberfläche als α-SiC als Träger für Mehrphasenkatalysatoren verwendet werden kann. Siliciumcarbid wird industriell hergestellt, indem es in einem Widerstandsofen unter Verwendung von hochwertigem Quarzsand und Petrolkoks raffiniert wird. Die raffinierten Siliciumcarbidblöcke werden zerkleinert, säure- und laugengewaschen, magnetisch selektiert und gesiebt oder mit Wasser selektiert, um Produkte verschiedener Partikelgrößen herzustellen.
Abb. 2 Binäres Phasendiagramm von SiC
Aufgrund seiner stabilen chemischen Eigenschaften, seiner hohen Wärmeleitfähigkeit, seines niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und seiner hervorragenden Verschleißfestigkeit findet Siliciumcarbid nicht nur als Schleifmittel Verwendung. So kann beispielsweise das Aufbringen von Siliciumcarbidpulver auf das Laufrad von Wasserturbinen oder die Innenwand von Zylindern durch ein spezielles Verfahren die Abriebfestigkeit erhöhen und die Lebensdauer um das 1 bis 2fache verlängern. Darüber hinaus wird Siliciumcarbid in hochwertigen feuerfesten Materialien verwendet, die Vorteile wie Temperaturwechselbeständigkeit, kompakte Größe, geringes Gewicht und hohe Festigkeit bieten, wodurch sie sehr energieeffizient sind. Geringwertiges Siliciumcarbid (etwa 85 % SiC) ist ein ausgezeichnetes Desoxidationsmittel, das die Stahlherstellung beschleunigen, die Kontrolle der chemischen Zusammensetzung erleichtern und die Stahlqualität verbessern kann. Darüber hinaus wird Siliciumcarbid in großem Umfang für die Herstellung von Siliciumkohlenstoffstäben für elektrische Heizelemente verwendet.
Siliciumcarbid hat eine sehr große Härte (Mohs-Härte 9,5), die nur vom härtesten Diamanten der Welt (10) übertroffen wird, besitzt eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit und ist ein Halbleiter mit hoher Oxidationsbeständigkeit.
Es gibt mindestens 70 kristalline Formen von Siliciumcarbid. α-SiC ist der am häufigsten vorkommende homogene Heterokristall, der sich bei hohen Temperaturen über 2000 °C bildet und ein hexagonales Kristallsystem aufweist (ähnlich dem faserigen Zinkit). β-SiC mit einem kubischen Kristallsystem ähnelt Diamant und wird bei Temperaturen unter 2000 °C hergestellt. β-SiC ist ein heterogener Katalysatorträger mit einer größeren spezifischen Oberfläche als α-SiC. Für Anwendungen als heterogener Katalysatorträger ist β-Siliciumcarbid aufgrund seiner höheren spezifischen Oberfläche als α-Siliciumcarbid von Interesse. Es gibt noch eine weitere Art von Siliciumcarbid, das μ-Siliciumcarbid, das am stabilsten ist und beim Aufprall einen angenehmeren Klang erzeugt. Bisher werden diese beiden Siliciumcarbidarten jedoch noch nicht kommerziell genutzt.
Abb. 3 Kristallstrukturen der wichtigsten SiC-Polymorphe
Aufgrund seines spezifischen Gewichts von 3,1 g/cm3 und seiner relativ hohen Sublimationstemperatur (ca. 2700 °C) eignet sich Siliciumcarbid gut als Rohstoff für Lager oder Hochtemperaturöfen. Es schmilzt nicht bei jedem erreichbaren Druck und hat eine eher geringe chemische Aktivität. Wegen seiner hohen Wärmeleitfähigkeit, seiner hohen kollabierenden elektrischen Feldstärke und der Tatsache, dass es die höchste Stromdichte besitzt, gibt es Versuche, Siliziumkarbid als Ersatz für Silizium zu verwenden, insbesondere in Anwendungen für Halbleiter-Hochleistungsbauteile. Darüber hinaus ist Siliciumcarbid stark an Mikrowellenstrahlung gekoppelt und kann aufgrund seines hohen Sublimationspunktes zur Erwärmung von Metallen eingesetzt werden.
Reines Siliciumcarbid ist farblos, aber in der industriellen Produktion ist seine Farbe aufgrund von Verunreinigungen wie Eisen in der Regel braun bis schwarz. Der schillernde Glanz der Kristalloberfläche ist auf die Bildung einer Schutzschicht aus Siliziumdioxid zurückzuführen.
SiC ist ein Halbleiter, der durch Dotierung die Energieniveaustruktur von SiC-Materialien verändert und seine Eigenschaften weiter moduliert, wobei hauptsächlich Ionenimplantation für A, B, N und andere Atome der Dotierung verwendet wird. Unter ihnen: Al und andere Wirtsatome nehmen mit größerer Wahrscheinlichkeit den Platz von Si im SiC-Gitter ein, um ein tiefes dominantes Energieniveau zu bilden, wodurch ein P-Halbleiter entsteht; während N und P und andere Wirtsatome mit größerer Wahrscheinlichkeit die Gitterposition von C einnehmen, um ein flaches dominantes Niveau zu bilden, wodurch ein N-Halbleiter entsteht. Es ist erwähnenswert, dass SiC einen weiten Dotierungsbereich (1X1014-1X1019 cm-3) aufweist, der bei anderen Halbleitern mit breiter Bandlücke nicht zu finden ist, und dass eine Dotierung vom N- und P-Typ in diesem Bereich leicht zu realisieren ist, z. B. beträgt der elektrische Widerstand von 4H-SiC-Einkristallen nach Dotierung mit AI nur 5 Ω-cm.
3 Verfahren zur Herstellung von Siliziumkarbid
Siliciumcarbid wird im Wesentlichen nach zwei Verfahren hergestellt: dem Schmelzverfahren und dem Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung.
3.1 Schmelzverfahren
Bei der Schmelzmethode werden Silizium und Graphit (oder graphitiertes Silizium) durch Mischen bei hoher Temperatur geschmolzen und dann abgekühlt, um Siliziumkarbid zu bilden. Der spezifische Prozess sieht wie folgt aus:
1. Rohstoffaufbereitung: Auswahl hochreiner Kohlenstoff- und Siliziumrohstoffe, Pulverisierung und Siebung, so dass die Partikelgröße den Prozessanforderungen entspricht.
2. Mischen: Mischen Sie die zerkleinerten Kohlenstoff- und Siliziumrohstoffe in einem bestimmten Verhältnis, damit die Verunreinigungen dispergiert werden.
3. Beschickung: Die gemischten Rohstoffe werden in den Hochtemperaturofen gegeben, der Ofen sollte auf eine bestimmte Ofentemperatur eingestellt werden, und die Atmosphäre und ein bestimmter Unterdruck sollten aufrechterhalten werden.
4. Karbonisierungsreaktion: Bei hoher Temperatur reagieren Kohlenstoff und Silizium-Rohstoffe zu Siliziumkarbid. Die Reaktionstemperatur liegt normalerweise zwischen 2000 und 2500 Grad Celsius.
5. Abkühlung und Trennung: Nach der Karbonisierungsreaktion wird der Ofen zum Abkühlen geschlossen. Das Siliciumcarbidmaterial wird dann aus dem Ofen entnommen, und das Siliciumcarbid unterschiedlicher Partikelgröße wird durch physikalische Verfahren (z. B. Zerkleinern, Sieben) abgetrennt.
3.2 Chemische Gasphasenabscheidung
Diechemische Gasphasenabscheidung (CVD) ist ein Verfahren zur Bildung von Siliciumcarbid auf der Oberfläche eines Substrats durch Abscheidung einer Kohlenstoff- und Siliciumquelle in einem Gas durch eine chemische Reaktion in der Gasphase. Der spezifische Prozess läuft wie folgt ab:
1. Vorbereitung des Substrats: Auswahl geeigneter Substrate wie Quarz, Graphit usw., Reinigung und Behandlung gemäß den Anforderungen des Verfahrens, um die Oberfläche zu glätten.
2. Beladen des Reaktors: Das behandelte Substrat wird in den CVD-Reaktor gegeben und der Reaktor auf eine geeignete Temperatur aufgeheizt.
3. Zufuhr von Reaktionsgas: Führen Sie das Gas, das Kohlenstoff- und Siliziumquellen enthält, mit einer bestimmten Durchflussrate in den Reaktor ein und steuern Sie gleichzeitig die Reaktionstemperatur, den Druck und das Gasverhältnis.
4. Gasphasenreaktion: Die Gase aus den Kohlenstoff- und Siliziumquellen reagieren chemisch auf der Oberfläche des Substrats und erzeugen Siliziumkarbid. Die Beschaffenheit des Siliziumkarbids kann auch durch die Einführung von Dotierquellen während des Reaktionsprozesses verändert werden.
5. Abkühlung und Aushärtung: Nach Beendigung der Reaktion wird die Gaszufuhr gestoppt, der Reaktor wird abgeschaltet, und es findet eine Abkühlung statt. Während der Abkühlung härtet das Siliciumcarbid auf der Oberfläche des Substrats aus und bildet einen dünnen Film oder Block aus Siliciumcarbid.
Je nach den Anforderungen der Anwendung kann ein geeignetes Verfahren gewählt werden, um Siliciumcarbidmaterialien mit spezifischen Eigenschaften herzustellen.
Abb. 4 Anlage zur chemischen Gasphasenabscheidung (CVD)
4 Anwendungen von Siliziumkarbid
4.1 Leistungselektronik
In Leistungshalbleiterbauelementen (z. B. MOSFETs, IGBTs) bietet Siliziumkarbid eine effizientere Lösung für die Leistungsumwandlung. Während herkömmliche Siliziummaterialien bei hohen Strömen und hohen Spannungen nur eine begrenzte Leistung aufweisen, verfügen SiC-Materialien über eine große Bandbreite, die es ihnen ermöglicht, niedrige Schaltverluste beizubehalten und den Energieverlust bei hohen Spannungen zu verringern. Dieser Vorteil kommt vor allem bei Elektrofahrzeugen und Systemen zur Erzeugung erneuerbarer Energien zum Tragen, die eine größere Reichweite und kürzere Ladezeiten für Elektrofahrzeuge sowie eine verbesserte Energieeffizienz bei Photovoltaik- und Windkraftanlagen ermöglichen. Darüber hinaus ermöglicht Siliziumkarbid eine effiziente Energieumwandlung in Hochspannungsgeräten in Stromnetzen und unterstützt so eine intelligente und effiziente Energieübertragung.
4.2 Hochtemperatur- und Hochfrequenzgeräte
Siliziumkarbid zeichnet sich in den Bereichen Hochtemperatur und Hochfrequenz aus und eignet sich besonders für Hochfrequenzschalter, die in 5G-Basisstationen und in der Militärelektronik einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb erfordern. Seine Fähigkeit, in Hochtemperaturumgebungen eine stabile elektrische Leistung aufrechtzuerhalten, gleicht die fehlende Leistungsverschlechterung herkömmlicher Siliziumbauteile unter Hochtemperaturbedingungen aus. Aufgrund seiner großen Bandbreite und hohen Wärmeleitfähigkeit kann SiC bei höheren Betriebstemperaturen als Silizium eine gute elektrische Leistung beibehalten, was es zu einem idealen Material für Hochfrequenz-Kommunikations- und Radarsysteme macht und die Nachfrage nach höheren Datenübertragungsraten in 5G-Basisstationen erfüllen kann.
4.3 LED- und optoelektronische Anwendungen
Siliziumkarbid war ein früher Werkstoff für blaue LEDs. Obwohl es heute häufig durch Galliumnitrid ersetzt wird, ist es in optoelektronischen Geräten für bestimmte Wellenlängenbereiche, insbesondere für die UV- und NIR-Fotodetektion, nach wie vor wertvoll. Dank seiner Hochtemperatur- und Strahlungsbeständigkeit kann SiC in einer Vielzahl von Anwendungen in extremen optischen Umgebungen eingesetzt werden. Als stabiles Substrat kann es in hochtemperatur- und strahlungsbeständige Photodetektoren integriert werden, die sich für Beleuchtungssysteme und optische Sensorvorrichtungen eignen, die eine hohe Stabilität der Lichtleistung erfordern.
Abb. 5 Siliziumkarbid-Wafer für optoelektronische Anwendungen
4.4 Sensoren
SiC weist einzigartige Vorteile bei Sensoren für extreme Umgebungen auf. Es kann Gas, Temperatur, Druck und andere Parameter in chemischen Sensoren und Hochtemperatur-Gassensoren genau erkennen, was für die Petrochemie und andere Industrien geeignet ist, die eine hohe chemische Stabilität erfordern. SiC-Sensoren verfügen über eine ausgezeichnete Korrosions- und Hochtemperaturstabilität und können auch in Umgebungen eingesetzt werden, in denen herkömmliche Sensoren versagen, was besonders für Hochtemperatur- und stark korrosive Industrieumgebungen geeignet ist.
4.5 Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt und im Verteidigungsbereich
In der Luft- und Raumfahrt sowie im Verteidigungsbereich, wo hohe Zuverlässigkeit und Haltbarkeit erforderlich sind, wird Siliziumkarbid wegen seines hohen Schmelzpunkts, seiner Strahlungsbeständigkeit und seiner Festigkeitseigenschaften bevorzugt. SiC-Bauelemente halten nicht nur extremen Temperaturen stand, sondern bieten auch zuverlässige Leistung im Vakuum und in Umgebungen mit starker Strahlung, so dass sie in kritischen Bereichen wie der Satellitenkommunikation und der Raketensteuerung eine zentrale Rolle spielen und die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Geräten in extremen Umgebungen erhöhen.
Abb. 6 Siliziumkarbidspiegel für Luft- und Raumfahrtanwendungen
5 Vorteile und Beschränkungen von Siliziumkarbid
5.1 Vorteile von Siliziumkarbid
1. Leistung bei hohen Temperaturen und hohem Druck: Die thermische Stabilität und die elektrischen Eigenschaften von SiC in Hochtemperaturumgebungen sind denen herkömmlicher Siliziummaterialien überlegen. Der hohe Schmelzpunkt und die antioxidativen Eigenschaften von SiC machen es in extremen Umgebungen stabil, was besonders in der Luft- und Raumfahrt, bei militärischen elektronischen Geräten und anderen Anwendungen, die eine hohe Temperaturbeständigkeit erfordern, wichtig ist. Seine breitbandige Struktur hat einen geringeren Leckstrom bei hohen Spannungen, was die Auswirkungen von thermischen Effekten stark reduziert - ein Vorteil, der mit herkömmlichen Siliziummaterialien nur schwer zu erreichen ist.
2. Anwendungen mit hoher Frequenz und hoher Leistung: Die große Bandbreite und die hohe Ladungsträgerbeweglichkeit von SiC-Materialien verschaffen ihnen einen erheblichen Vorteil bei Hochfrequenz- und Hochleistungsanwendungen. Im Vergleich zu Silizium können SiC-Bauteile die Energieverluste in Hochfrequenzbauteilen effektiver reduzieren und bei Hochleistungsanwendungen eine bessere Leistung erbringen. Dies macht es zu einem idealen Material für elektronische Geräte, die eine Hochgeschwindigkeits-Signalumschaltung erfordern, wie z. B. 5G-Kommunikationsbasisstationen und Hochfrequenz-Radarsysteme.
3. Effiziente Energieumwandlung: SiC-Leistungsbauelemente können die Energieeffizienz in Elektrofahrzeugen und Systemen für erneuerbare Energien erheblich verbessern. Der geringe Leitungsverlust und die hohe Spannungssperrfähigkeit sorgen dafür, dass der SiC-Wechselrichter in Elektrofahrzeugen effizienter arbeitet und die Reichweitenzeit effektiv verlängert. Darüber hinaus verbessern SiC-Bauelemente in Wechselrichtern für Solar- und Windenergieanlagen die Effizienz der Energieumwandlung erheblich, verringern die Betriebstemperatur des Systems und verbessern die Zuverlässigkeit der Geräte.
Abb. 7 Hochtemperatur-Reduktionsbehälter aus Siliziumkarbid
5.2 Beschränkungen von Siliziumkarbid
1. Hohe Kosten: Im Vergleich zu Siliziumwerkstoffen ist SiC in der Herstellung und Verarbeitung teurer und erfordert eine spezielle, hochpräzise Prozessunterstützung, was sich stärker auf die Produktionskosten auswirkt. Die Wachstumskosten für hochwertige SiC-Kristalle sind viel höher als die von Siliziummaterialien, so dass der Marktpreis von SiC-Bauteilen nach wie vor hoch ist, was sich auf seine Förderung in kostenempfindlichen Märkten wie der Unterhaltungselektronik auswirkt.
2. Komplizierter Prozess: Der Herstellungsprozess von SiC-Einkristallen ist komplex, insbesondere die Herstellung hochreiner, hochwertiger SiC-Einkristalle ist schwieriger. Gegenwärtig ist die Wachstumsrate von SiC-Kristallen langsam, und es ist sehr einfach, Defekte im Produktionsprozess zu erzeugen, was zu einer geringen Ausbeute an Bauelementen führt. Darüber hinaus ist SiC aufgrund seiner hohen Härte schwer zu verarbeiten, was seine großtechnische Anwendung weiter einschränkt.
3. Zuverlässigkeit der Bauelemente: Obwohl SiC in extremen Umgebungen wie hohen Temperaturen und hohem Druck gut funktioniert, muss die langfristige Zuverlässigkeit einiger SiC-Bauelemente in praktischen Anwendungen noch weiter verbessert werden. Verglichen mit dem ausgereiften Siliziumprozess ist das Alterungsproblem von SiC-Bauelementen unter extremen Bedingungen noch nicht vollständig gelöst, und die Forderung nach längeren Lebenszyklen in einigen Anwendungsszenarien erfordert eine weitere Verbesserung der Stabilität und Zuverlässigkeit der Bauelemente.
6 Schlussfolgerung
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich Siliziumkarbid (SiC) aufgrund seiner einzigartigen Vorteile wie hohe Wärmeleitfähigkeit, Härte und überlegene Leistung in Hochtemperatur-, Hochdruck- und Hochfrequenzumgebungen als wichtiger Werkstoff für elektronische Materialien etabliert hat. Seine Anwendung erstreckt sich über mehrere Sektoren - Leistungselektronik, Hochtemperatur- und Hochfrequenzgeräte, LEDs, Sensoren sowie Luft- und Raumfahrt -, die von der Effizienz von SiC bei der Energieumwandlung, der verlängerten Lebensdauer der Geräte und der Stabilität unter extremen Bedingungen profitieren. Hohe Kosten, komplexe Herstellungsprozesse und Bedenken hinsichtlich der Zuverlässigkeit schränken jedoch noch immer die Verbreitung von SiC ein. Es wird erwartet, dass Siliziumkarbid mit den Fortschritten bei den Herstellungstechnologien und der Kosteneffizienz eine noch wichtigere Rolle bei hochleistungsfähigen und speziellen elektronischen Anwendungen spielen wird.
Stanford Advanced Materials (SAM) ist ein wichtiger Anbieter von hochwertigen Siliziumkarbidmaterialien und unterstützt diese kritischen Anwendungen mit zuverlässigen Materiallösungen.
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