Effektelektronik med kohærent siliciumcarbid

Siliciumcarbid (SiC) er et uorganisk halvledermateriale med et ekstremt bredt båndgab, der skiftevis kan fungere som enten en elektrisk leder eller isolator, hvilket gør det nyttigt i effektelektronik på grund af dets overlegne elektriske ledningsevne i forhold til traditionelle siliciumhalvledere.

EAG Laboratories har omfattende ekspertise i at udføre bulk- og rumopløste analyseteknikker på SiC-prøver.

Effektelektronik til høje temperaturer

Elbiler kræver effekthalvlederenheder, der kan fungere ved højere temperaturer, lavere energitab og hurtigere skiftehastigheder end dem, der er lavet af almindelige siliciumchips. Bredbåndsmaterialer som SiC kan give disse fordele og har vist sig at fungere godt i laboratorieforsøg, men at lave integrerede kredsløb af det kan give unikke udfordringer; forsyningskæden er måske endnu ikke så udviklet som for almindeligt silicium.

Coherents team arbejder hårdt på at reducere SiC-omkostningerne og forkorte produktionstiden, så producenterne kan øge elbilernes effektivitet og samtidig opfylde forbrugernes krav til ydeevne.

Coherents fabrik i Saxonburg, Pennsylvania, anvender silicium-på-isolator-teknologi (SOI) til at fremstille højtydende SiC-epitaksiale wafere på op til 200 mm i diameter ved hjælp af silicium-på-isolator-teknikker (SOI). Disse wafere kan bruges til at fremstille forskellige effektelektroniske enheder som MOSFET'er og IGBT'er samt GaN-on-SiC RF-effektforstærkere og andre mikrobølgeenheder.

Coherent's SOI-proces giver større kontrol over væksten af SiC-lag, hvilket forbedrer udbyttet og enhedens ydeevne. Coherent tilbyder omfattende karakteriseringsfunktioner, herunder Laser Ablation-Inductively Coupled Plasma-Optical Emission Spectroscopy (LA-ICP-OES) og scanning electron microscopy-energy dispersive spectroscopy (SEM-EDS), begge nyttige værktøjer til at identificere kritiske defekter og øge udbyttet.

Højfrekvente RF-effektforstærkere

Med den hurtige udvidelse af 5G-netværk over hele verden er efterspørgslen efter RF-effektforstærkere til at styrke transmission af trådløse datasignaler vokset eksponentielt. Coherent leverer siliciumcarbidskiver, der kan fungere effektivt inden for disse nye højfrekvensbånd på en udvidelig teknologiplatform.

SiC-substrater fra dette firma hjælper effektelektronik med at køre mere effektivt ved at reducere varmeproduktionen og dermed mindske kølesystemets størrelse - hvilket sparer energiomkostninger og samtidig reducerer kølesystemets pladsbehov.

SiC-halvledere kan arbejde ved højere frekvenser end rene siliciumchips, hvilket øger hastigheden og rækkevidden i elbiler. Desuden producerer SiC-halvledere mindre spildvarme, samtidig med at de kan modstå højere temperaturer - det betyder, at de kan drive mere effektive køretøjer med bedre brændstoføkonomi.

Coherent's fælles investering med de japanske firmaer Denso og Mitsubishi Electric vil gøre det muligt at øge produktionen af 200 mm siliciumcarbid-substrater og epitaksiale wafere samt etablere langsigtede leveringsaftaler på armslængdebasis for at opfylde de japanske firmaers 150 mm og 200 mm SiC-behov. Desuden styrker denne aftale Cohernets position på bilmarkedet - det leverer allerede materialer, der bruges til at fremstille chips til bildele og elektronikproduktion - idet de hver især investerer $500 millioner hver for 12,5% ikke-kontrollerende ejerandel i deres nye forretningsenhed.

Elektronik til biler

Effektelektronik fremstillet af sammenhængende siliciumcarbid gør det muligt for køretøjer at blive mere energieffektive og pålidelige, reducere kuldioxidudledningen og fremskynde overgangen til et bæredygtigt samfund. De muliggør regenerativ bremseteknologi - som omdanner varmeenergi fra bremsning til elektrisk energi, som derefter kan lagres i et elbilbatteri - samt styring og drift af større elektriske belastninger som varmeapparater, ventilatorer og e-maskiner.

Coherent har annonceret dannelsen af Silicon Carbide LLC som sit nye SiC-datterselskab, der skal producere GaN-on-SiC MOSFET'er og andre RF- og mikrobølgeenheder på semiisolerende SiC-wafers af høj kvalitet med en diameter på op til 200 mm. Ifølge Coherent har Denso Automotive - en af de største leverandører til bilindustrien - og Mitsubishi Electric begge investeret betydeligt.

Coherent's investeringer vil muliggøre deres planer om kapacitetsudvidelse og sikre en pålidelig, skalerbar forsyning til at imødekomme markedets voksende efterspørgsel efter SiC-baserede effektelektroniske enheder. Coherent forventer betydelige omkostningsbesparelser ved at bruge SiC, som er betydeligt billigere end traditionelle halvledermaterialer som siliciumchips. Desuden kan SiC modstå højere temperaturer end siliciumchips, hvilket gør det muligt for producenterne at mindske kølesystemerne og dermed reducere produkternes vægt og pladsbehov - en vigtig overvejelse, da bilproducenter stræber efter at reducere køretøjernes omkostninger og samtidig øge forbrugernes accept af elbiler.

Opbevaring af energi

SiC-chips giver energilagringssystemer større effektivitet og effekttæthed ved at sænke koblingstab, fungere ved højere temperaturer med reduceret strømtab samt hjælpe med at reducere komponentstørrelser og -omkostninger, samtidig med at komponentstørrelser og -omkostninger reduceres. Desuden muliggør denne teknologi mindre kølesystemer, hvilket yderligere reducerer systemets volumen og vægt.

SiC er et fremragende materiale til magnetisk feltregistrering på grund af dets naturlige magnetiske resonans, som kan udnyttes til applikationer, der involverer feltregistrering. Desuden er dets spin-kohærenstid 10 gange større end konventionelle halvledere, hvilket giver mulighed for hurtige og præcise målinger, som gør SiC velegnet til kompakte, hurtige magnetometre med lav effekt og høj opløsning.

Undersøgelser af defekter i SiC har anvendt elektronparamagnetisk resonans (EPR) og elektrisk detekteret magnetisk resonans (EDMR), med særlig opmærksomhed på kulstofledighed i CVD-lag, som udviser lange spin-kohærenstider ved stuetemperatur9,10,35.

Khan understreger vigtigheden af, at hans Coherent-datterselskab arbejder tæt sammen med førende systemvirksomheder for at maksimere læringen. At forstå kundernes og slutbrugernes beslutningsdrivere - som f.eks. markedskravene til elbiler, såsom forholdet mellem anskaffelsespris og driftsomkostninger og balancen mellem rækkevidde og opladningstid - er ifølge Khan af afgørende betydning.