Siliciumkarbid-substrat

Siliciumcarbid er et innovativt materiale med mange fordele i forhold til silicium, især dets højere gennembrudsspænding og lavere ON-modstand, som giver mulighed for mere effektive effektelektroniksystemer.

At fremstille siliciumcarbid-substrat kræver særligt udstyr og er tidskrævende. Det første trin består i at skabe en stor krystal kaldet en boule, som derefter skæres i skiver til efterfølgende behandling.

Det er en god leder af varme

Substrater af siliciumcarbid (SiC) er blevet et vigtigt element i effektelektronik på grund af deres overlegne egenskaber. Med højere effektivitet og bedre varmeledningsevne end siliciumsubstrater er SiC-substrater velegnede til kraftintensive anvendelser som elektriske køretøjer og vedvarende energisystemer, der kræver høje spændinger.

SiC er et meget tæt halvledermateriale med et bredt båndgab, som gør det muligt for elektroner at bevæge sig hurtigt igennem det, hvilket giver det en fordel i forhold til silicium, som har et smallere båndgab. Desuden gør dette bredere båndgab det lettere at overføre elektroner mellem lagene, hvilket forbedrer enhedens samlede ydeevne.

Siliciumcarbid har fremragende elektriske og termiske egenskaber ud over en meget høj mekanisk styrke. Det gør det til et fremragende materialevalg til slidstærke materialer og skæreværktøjer; desuden gør dets ekstremt høje temperaturbestandighed det anvendeligt som industrielt ovnforingsmateriale, og dets ekstreme hårdhed gør det velegnet til fremstilling af komponenter til pumper og raketmotorer, der modstår slid og slitage.

Siliciumcarbid er en ekstremt hård, syntetisk fremstillet forbindelse af silicium og kulstof. Der findes naturlige eksempler som moissanit, men de fleste fremstilles syntetisk gennem en Acheson-reaktion, hvor silica-sand og kulstof opvarmes ved høje temperaturer, indtil blandingen danner en sekskantet kugle, som senere skæres op i skiver til brug som substrat.

Siliciumcarbid skiller sig ud fra silicium på grund af sin lavere on-state modstand og større båndgab, hvilket gør det til et fremragende materialevalg til applikationer med høj effekt. Det gør det muligt at reducere størrelsen på enhederne og samtidig forbedre ydeevnen; desuden gør den lave ON-modstand dem velegnede til fotovoltaiske systemer og mikroelektronik.

Siliciumcarbid-substrater anvendes i vid udstrækning som et slidstærkt materiale, herunder keramiske kondensatorer og isolatorer. Desuden gør deres hårdhed dem nyttige i form af slibeskiver og sandpapir med reduceret slidstyrke. Desuden er siliciumcarbid-substrater et vigtigt materiale i carborundum-tryk - en dybtryksteknik, hvor carborundumkorn belægges på aluminiumplader for at skabe trykte mærker - en stadig mere populær kunstform.

Det er en god leder af elektricitet

Siliciumcarbid er en fremragende leder af elektricitet og kan bruges i mange elektroniske applikationer. Med lave lækstrømme og on-state-modstande - begge væsentlige parametre i højfrekvensapplikationer. Desuden har siliciumcarbid tre gange større varmeledningsevne end sit modstykke i silicium og er modstandsdygtigt over for strålingsskader.

Siliciumkarbidens høje spændingsniveau gør det til et fremragende materiale til højhastighedskoblingsenheder, der bruges i elektriske motordrev og effektelektroniksystemer. Disse enheder kan tåle ekstreme temperaturer og spændinger, uden at det går ud over ydeevnen, og de er mindre og lettere end deres modstykker af silicium. Desuden skifter siliciumcarbid-enheder ti gange hurtigere, hvilket øger effektiviteten og samtidig gør det muligt for designere at gøre systemerne mindre.

Siliciumcarbids unikke atomare struktur bidrager til dets halvlederegenskaber. Det krystalliserer i tætpakkede strukturer, der er kendetegnet ved kovalent bundne atomer arrangeret i to primære koordinationstetraedre med fire kulstof- og fire siliciumatomer bundet i deres hjørner, der danner kovalente bindinger mellem kulstof- og siliciumatomer; disse tetraedre kan derefter forbindes gennem deres hjørner for at danne polytypestrukturer: 3C-SiC er dets kubiske polytype, mens 6H-SiC eller 15R-SiC er andre eksempler på halvledermaterialer, der findes inden for halvledermaterialer.

SiC er typisk et isolerende materiale i sin rene form, men kan udvise halvledningsevne, når det dopes med urenheder gennem doping, en proces på atomart niveau, der finder sted efter doping med urenheder. SiC er klassificeret som et halvledermateriale med et båndgab på 1,5eV og en iboende elektronaffinitet på ca. 0,1 mJ/cm, hvilket gør det til et af de laveste båndgab blandt eksisterende halvledermaterialer.

Siliciumcarbid er i modsætning til silicium et ikke-metallisk materiale, der er uopløseligt i både vand og alkohol. På grund af dets hårdhed, holdbarhed, korrosionsbestandighed, høje smeltepunkt og hårdhed er siliciumkarbid meget anvendeligt i industrimaskiner som pumpelejer og ventiler samt til brug i honing, slibning, vandstråleskæringsprocesser og lapidarium. På grund af disse egenskaber har det også vundet stor popularitet som et økonomisk lapidarisk materiale.

Siliciumcarbids egenskaber gør det til et ideelt materiale til hurtigopladningssystemer til elbiler (EV). Ifølge forskning fra Goldman Sachs kan brug af SiC i invertersystemer øge elbilers rækkevidde med 30% og reducere omkostningerne til batterilagring med 20% sammenlignet med brug af litiumbatterier alene. Desuden forudser Goldman Sachs, at det kan hjælpe med at strømline design af elbiler og gøre dem lettere og mere energieffektive.

Det er en god leder af lyd

Siliciumcarbid-substrat er et ikke-oxidisk halvledermateriale med mange ønskelige egenskaber. Det kan lede både varme og elektricitet effektivt, har fremragende holdbarhed og korrosionsbestandige egenskaber, hvilket gør det velegnet til mange forskellige anvendelser. Dets holdbarhed og alsidighed gør siliciumcarbid-substrat til et fremragende materiale til mange forskellige formål.

Siliciumcarbid er en effektiv leder af lyd, hvilket gør det perfekt til brug i luft- og rumfart. Men desværre gør dets skøre natur og høje hårdhed forarbejdningen mere udfordrende; for at overvinde disse vanskeligheder udvikler virksomheder nye forarbejdningsmetoder, som giver mulighed for omkostningseffektiv produktion af siliciumcarbid.

En sådan metode er plasma-assisteret ætsning, som bruger højenergi-plasma til at fjerne forureninger fra siliciumcarbid-substratoverflader. Denne teknik har potentiale til at forbedre ydeevnen for halvlederenheder, samtidig med at den forbliver miljøvenlig; desuden har denne proces evnen til at øge den kritiske nedbrydningsstyrke og driftstemperaturen for siliciumcarbid, så den bedre kan konkurrere med siliciumhalvledere.

En anden måde at forbedre siliciumkarbidens ydeevne på er gennem epitaksial vækst. Denne teknik bygger på det faktum, at siliciumcarbid indeholder forskellige lag af atomer med deres egne elektriske egenskaber; ikke alene vil denne proces øge enhedens ydeevne, men den kan også reducere omkostningerne ved at fjerne dyre safir- eller wafersubstrater fra produktionsomkostningerne.

Siliciumcarbid-substrater anvendes ofte i transportsystemer til elbiler på grund af deres evne til at modstå højere temperaturer og spændinger end siliciumbaserede enheder, og fordi de er lette med høj energitæthed, hvilket gør dem ideelle til fremdriftssystemer til elbiler. Desuden gør siliciumcarbidets reducerede risiko for strålingsskader det ideelt til brug som eVTOL-materiale, samtidig med at det har bedre mekaniske egenskaber end dets rival borcarbid.

MOSFET'er af siliciumcarbid har både overlegen energieffektivitet og lavere varmeudvidelseskoefficient, hvilket gør dem perfekte til at pakke flere transistorer på en chip. På grund af denne egenskab er MOSFET'er af siliciumkarbid et ideelt valg til mobiltelefoner og bærbare computere, da de er mere kompakte og har lavere koblingstab end siliciumbaserede MOSFET'er.

Det er en god leder af lys

Siliciumcarbid (SiC) er et ekstremt hårdt materiale med mange anvendelsesmuligheder. På grund af sin atomare struktur er SiC en fremragende leder af elektricitet og lys samt modstandsdygtig over for korrosion og høje temperaturer. Som sådan er det et fremragende valg til brug som ildfaste foringer i industriovne samt skæreværktøjer, siden slutningen af det 19. århundrede til brug som sandpapir, slibeskiver og skæreværktøjer - i barske miljøer er det et fremragende materialevalg til pumpelejer, pumpehuskomponenter samt ekstruderingsforme og injektorer!

Siliciumcarbids unikke atomare struktur gør det muligt at dope det med forskellige urenheder, hvilket giver enten p-type eller n-type halvledere, afhængigt af hvilket dopingstof der tilføres. Aluminium skaber p-type halvledere, mens gallium skaber n-type halvledere; desuden kan det også dopes med nitrogen og fosfor for at opnå superledning - egenskaber, der gør siliciumcarbid til et ideelt materiale til power-halvlederapplikationer.

Halvledere af siliciumcarbid har en fremragende elektrisk ledningsevne og lave produktionsomkostninger sammenlignet med andre former for halvledere, hvilket gør siliciumcarbid til et økonomisk alternativ til elektroniske enheder med høj effekt som tyristorer, effektdioder og transistorer. Desuden giver deres brede båndgab mulighed for lettere fremstilling ved lavere temperaturer, hvilket gør dem perfekte til brug ved høje temperaturer, f.eks. til at modstå høje temperaturer i elektronisk udstyr som f.eks. højfrekvenselektronik, tyristorer, effektdioder og transistorer.

Siliciumcarbid er en af de primære anvendelser for siliciumcarbid: som substrat for lysdioder (LED). På grund af sin stærke brudstyrke og modstandsdygtighed over for slid og korrosion er siliciumcarbid et fantastisk valg til applikationer med høj effekt som LED'er og UV-fotodetektorer, mens det lave spændingsfald og den hurtige gendannelse gør, at det kan fungere selv ved høje temperaturer.

Schottky-dioder af siliciumcarbid kan bruges som antireflekslag i lyskilder, lasere og tyristorer. Desuden er de velegnede til applikationer, der kræver høj nedbrydningsspænding, da de har lavere priser sammenlignet med siliciumbaserede halvledere og giver hurtigere kredsløbsydelse end deres siliciumbaserede modstykker.

Moissanite findes naturligt i meteoritter og korundaflejringer, men stort set alt siliciumcarbid, der sælges i dag, er syntetisk. Denne forbindelse består af silicium- og kulstofatomer med en ekstremt hård Mohs-klassificering på 9 og kan fremstilles i 15 cm store skiver til kommercielt salg.