Leistungselektronik mit kohärentem Siliziumkarbid

Siliziumkarbid (SiC) ist ein anorganisches Halbleitermaterial mit einer extrem breiten Bandlücke, das abwechselnd als elektrischer Leiter oder als Isolator fungieren kann, was es in der Leistungselektronik aufgrund seiner besseren elektrischen Leitfähigkeit als herkömmliche Siliziumhalbleiter nützlich macht.

Die EAG Laboratories verfügen über umfassendes Know-how bei der Durchführung von Bulk- und ortsaufgelösten Analyseverfahren für SiC-Proben.

Hochtemperatur-Leistungselektronik

Für Elektrofahrzeuge werden Leistungshalbleiter benötigt, die bei höheren Temperaturen, geringeren Energieverlusten und schnelleren Schaltgeschwindigkeiten arbeiten können als herkömmliche Siliziumchips. Breitbandlückenmaterialien wie SiC können diese Vorteile bieten und haben sich in Laborexperimenten als leistungsfähig erwiesen. Die Herstellung integrierter Schaltungen aus SiC kann jedoch besondere Herausforderungen mit sich bringen, da die Lieferkette für SiC noch nicht so weit entwickelt ist wie die für herkömmliches Silizium.

Das Team von Coherent arbeitet hart daran, die SiC-Kosten zu senken und die Produktionszeiten zu verkürzen, damit die Hersteller die Effizienz von Elektrofahrzeugen steigern und gleichzeitig die Leistungsanforderungen der Verbraucher erfüllen können.

Das Werk von Coherent in Saxonburg, Pennsylvania, nutzt die Silicon-on-Insulator (SOI)-Technologie zur Herstellung von Hochleistungs-SiC-Epitaxiewafern mit einem Durchmesser von bis zu 200 mm. Diese Wafer können zur Herstellung verschiedener Leistungselektronikbauteile wie MOSFETs und IGBTs sowie von GaN-on-SiC-HF-Leistungsverstärkern und anderen Mikrowellenbauteilen verwendet werden.

Das SOI-Verfahren von Coherent ermöglicht eine bessere Kontrolle über das Wachstum der SiC-Schichten und verbessert so die Ausbeute und die Leistung der Bauelemente. Coherent bietet umfassende Charakterisierungsmöglichkeiten wie Laserablation - induktiv gekoppeltes Plasma - optische Emissionsspektroskopie (LA-ICP-OES) und Rasterelektronenmikroskopie - energiedispersive Spektroskopie (SEM-EDS), beides nützliche Werkzeuge zur Identifizierung kritischer Defekte und zur Steigerung der Ausbeute.

Hochfrequenz-RF-Leistungsverstärker

Mit dem raschen Ausbau der 5G-Netze weltweit ist die Nachfrage nach HF-Leistungsverstärkern zur Verstärkung der Übertragung von drahtlosen Datensignalen exponentiell gestiegen. Coherent bietet Siliziumkarbid-Wafer an, die innerhalb dieser neuen Hochfrequenzbänder auf einer erweiterbaren Technologieplattform effektiv funktionieren.

Die SiC-Substrate dieses Unternehmens tragen dazu bei, dass die Leistungselektronik effizienter arbeitet, indem sie die Wärmeentwicklung reduzieren und damit die Größe des Kühlsystems verringern - das spart Energiekosten und den Platzbedarf des Kühlsystems.

SiC-Halbleiter können mit höheren Frequenzen arbeiten als reine Siliziumchips, was die Geschwindigkeit und Reichweite von Elektroautos erhöht. Darüber hinaus erzeugen SiC-Halbleiter weniger Abwärme und halten höheren Temperaturen stand - das bedeutet, dass sie effizientere Fahrzeuge mit einem geringeren Kraftstoffverbrauch antreiben können.

Die gemeinsame Investition von Coherent und den japanischen Unternehmen Denso und Mitsubishi Electric wird es dem Unternehmen ermöglichen, die Produktion von 200-mm-Siliziumkarbidsubstraten und Epitaxiewafern zu erhöhen und langfristige Liefervereinbarungen zu treffen, um den Bedarf der japanischen Unternehmen an 150- und 200-mm-SiC zu decken. Darüber hinaus stärkt dieses Geschäft die Position von Coherent auf dem Automobilmarkt - das Unternehmen liefert bereits Materialien für die Herstellung von Chips, die für Autoteile und die Elektronikfertigung verwendet werden -, wobei beide Unternehmen jeweils $500 Millionen für 12,5% nicht beherrschende Anteile an ihrer neuen Geschäftseinheit investieren.

Kfz-Elektronik

Leistungselektronik aus kohärentem Siliziumkarbid ermöglicht es, Fahrzeuge energieeffizienter und zuverlässiger zu machen, den Kohlendioxidausstoß zu verringern und den Übergang zu einer nachhaltigen Gesellschaft zu beschleunigen. Sie ermöglicht die Technologie des regenerativen Bremsens - bei der Wärmeenergie beim Bremsen in elektrische Energie umgewandelt wird, die dann in einer Elektrofahrzeugbatterie gespeichert werden kann - sowie die Steuerung und den Betrieb größerer elektrischer Lasten wie Heizungen, Ventilatoren und E-Maschinen.

Coherent hat die Gründung der Silicon Carbide LLC als neue SiC-Tochtergesellschaft bekannt gegeben, die GaN-on-SiC-MOSFETs und andere HF- und Mikrowellenbauelemente auf hochwertigen halbisolierenden SiC-Wafern mit einem Durchmesser von bis zu 200 mm herstellen soll. Nach Angaben von Coherent haben sowohl Denso Automotive - einer der größten Automobilzulieferer - als auch Mitsubishi Electric erhebliche Investitionen getätigt.

Die Investitionen von Coherent ermöglichen eine Kapazitätserweiterung und gewährleisten eine zuverlässige, skalierbare Versorgung, um die wachsende Marktnachfrage nach SiC-basierten Leistungselektronikgeräten zu befriedigen. Coherent rechnet mit erheblichen Kosteneinsparungen durch den Einsatz von SiC, das wesentlich preiswerter ist als herkömmliche Halbleitermaterialien wie Siliziumchips. Darüber hinaus kann SiC höheren Temperaturen standhalten als Siliziumchips, was es den Herstellern ermöglicht, die Kühlsysteme zu verkleinern und so das Gewicht und den Platzbedarf der Produkte zu verringern - ein wichtiger Aspekt, da die Automobilhersteller bestrebt sind, die Fahrzeugkosten zu senken und gleichzeitig die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen bei den Verbrauchern zu erhöhen.

Energiespeicherung

SiC-Chips ermöglichen Energiespeichersysteme mit höherer Effizienz und Leistungsdichte, indem sie die Schaltverluste verringern, bei höheren Temperaturen mit geringeren Stromverlusten arbeiten und dazu beitragen, die Größe und die Kosten der Komponenten zu verringern. Darüber hinaus ermöglicht diese Technologie kleinere Kühlsysteme, was zu einer weiteren Verringerung von Volumen und Gewicht des Systems führt.

SiC ist aufgrund seiner natürlichen magnetischen Resonanz ein hervorragendes Material für die Magnetfelderfassung, das für Anwendungen, die eine Felddetektion beinhalten, genutzt werden kann. Darüber hinaus ist seine Spin-Kohärenzzeit zehnmal größer als die herkömmlicher Halbleiter, was schnelle und genaue Messungen ermöglicht und SiC für kompakte Hochgeschwindigkeits-Magnetometer mit geringer Leistung und hoher Auflösung geeignet macht.

Bei Studien über Defekte in SiC wurden die paramagnetische Elektronenresonanz (EPR) und die elektrisch detektierte magnetische Resonanz (EDMR) eingesetzt, wobei das Hauptaugenmerk auf Kohlenstoffleerstellen in aufgewachsenen CVD-Schichten lag, die bei Raumtemperatur lange Spin-Kohärenzzeiten aufweisen9.10,35.

Khan betont, wie wichtig es ist, dass seine Tochtergesellschaft Coherent eng mit führenden Systemfirmen zusammenarbeitet, um den Lernprozess zu maximieren. Laut Khan ist es von entscheidender Bedeutung, die Entscheidungsfaktoren von Kunden und Endnutzern zu verstehen, z. B. die Anforderungen des Marktes für Elektrofahrzeuge, wie das Verhältnis zwischen Anschaffungs- und Betriebskosten oder das Verhältnis zwischen Reichweite und Ladezeit.