Ηλεκτρονικά ισχύος με χρήση συνεκτικού καρβιδίου πυριτίου

Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) είναι ένα ανόργανο ημιαγωγικό υλικό με εξαιρετικά ευρύ χάσμα ζώνης που μπορεί να λειτουργεί εναλλάξ είτε ως ηλεκτρικός αγωγός είτε ως μονωτής, καθιστώντας το χρήσιμο στα ηλεκτρονικά ισχύος λόγω της ανώτερης ηλεκτρικής αγωγιμότητάς του σε σχέση με τους παραδοσιακούς ημιαγωγούς πυριτίου.

Τα εργαστήρια EAG διαθέτουν εκτεταμένη εμπειρία στην εκτέλεση αναλυτικών τεχνικών σε δείγματα SiC σε όγκο και με χωρική ανάλυση.

Ηλεκτρονικά ισχύος υψηλής θερμοκρασίας

Τα ηλεκτρικά οχήματα (EVs) απαιτούν διατάξεις ημιαγωγών ισχύος ικανές να λειτουργούν σε υψηλότερες θερμοκρασίες, χαμηλότερες απώλειες ενέργειας και ταχύτερες ταχύτητες μεταγωγής από εκείνες που κατασκευάζονται από κανονικά τσιπ πυριτίου. Τα υλικά ευρείας ζώνης χάσματος όπως το SiC μπορούν να προσφέρουν αυτά τα πλεονεκτήματα και έχουν αποδειχθεί ότι αποδίδουν καλά σε εργαστηριακά πειράματα- ωστόσο, η κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων από αυτό μπορεί να παρουσιάζει μοναδικές προκλήσεις- η αλυσίδα εφοδιασμού του μπορεί να μην είναι ακόμη τόσο ανεπτυγμένη όσο για το κανονικό πυρίτιο.

Η ομάδα της Coherent εργάζεται σκληρά για να μειώσει το κόστος SiC και να συντομεύσει τα χρονοδιαγράμματα παραγωγής, ώστε οι κατασκευαστές να μπορούν να αυξήσουν την αποδοτικότητα των ηλεκτρικών συσκευών, ικανοποιώντας παράλληλα τις απαιτήσεις των καταναλωτών για επιδόσεις.

Το εργοστάσιο της Coherent στο Saxonburg της Πενσυλβάνια χρησιμοποιεί την τεχνολογία πυριτίου επί μονωτήρα (SOI) για την κατασκευή επιταξιακών πλακιδίων SiC υψηλής απόδοσης διαμέτρου έως 200 mm χρησιμοποιώντας τεχνικές πυριτίου επί μονωτήρα (SOI). Αυτά τα πλακίδια μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή διαφόρων διατάξεων ηλεκτρονικών ισχύος, όπως MOSFET και IGBT, καθώς και ενισχυτών ισχύος RF GaN-on-SiC και άλλων διατάξεων μικροκυμάτων.

Η διαδικασία SOI της Coherent παρέχει μεγαλύτερο έλεγχο στην ανάπτυξη των στρωμάτων SiC, βελτιώνοντας έτσι την απόδοση και την απόδοση της διάταξης. Η Coherent προσφέρει ολοκληρωμένες δυνατότητες χαρακτηρισμού, συμπεριλαμβανομένων της φασματοσκοπίας οπτικής εκπομπής με επαγωγικά συζευγμένο πλάσμα με λέιζερ (LA-ICP-OES) και της φασματοσκοπίας ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης-ενεργειακής διασποράς (SEM-EDS), και τα δύο χρήσιμα εργαλεία για τον εντοπισμό κρίσιμων ατελειών και την αύξηση της απόδοσης.

Ενισχυτές ισχύος RF υψηλής συχνότητας

Με την ταχεία επέκταση των δικτύων 5G παγκοσμίως, η ζήτηση για ενισχυτές ισχύος RF για την ενίσχυση της μετάδοσης ασύρματων σημάτων δεδομένων έχει σημειώσει εκθετική αύξηση. Η Coherent παρέχει πλακίδια καρβιδίου πυριτίου ικανά να λειτουργούν αποτελεσματικά σε αυτές τις νέες ζώνες υψηλής συχνότητας σε μια επεκτάσιμη τεχνολογική πλατφόρμα.

Τα υποστρώματα SiC της εν λόγω εταιρείας βοηθούν τα ηλεκτρονικά ισχύος να λειτουργούν πιο αποδοτικά, μειώνοντας την παραγωγή θερμότητας, μειώνοντας έτσι τα μεγέθη των συστημάτων ψύξης - εξοικονομώντας κόστος ενέργειας και εξοικονομώντας παράλληλα χώρο για τα συστήματα ψύξης.

Οι ημιαγωγοί SiC μπορούν να λειτουργούν σε υψηλότερες συχνότητες από τα τσιπ καθαρού πυριτίου, αυξάνοντας την ταχύτητα και την εμβέλεια των ηλεκτρικών αυτοκινήτων. Επιπλέον, οι ημιαγωγοί SiC παράγουν λιγότερη απορριπτόμενη θερμότητα, ενώ αντέχουν σε υψηλότερες θερμοκρασίες - αυτό σημαίνει ότι μπορούν να τροφοδοτήσουν πιο αποδοτικά οχήματα με καλύτερη οικονομία καυσίμου.

Η κοινή επένδυση της Coherent με τις ιαπωνικές εταιρείες Denso και Mitsubishi Electric θα της επιτρέψει να αυξήσει την παραγωγή υποστρωμάτων καρβιδίου του πυριτίου 200 mm και επιταξιακών πλακιδίων, καθώς και να συνάψει μακροπρόθεσμες συμφωνίες προμήθειας για την ικανοποίηση των απαιτήσεων των ιαπωνικών εταιρειών σε SiC 150 mm και 200 mm. Επιπλέον, η συμφωνία αυτή ενισχύει τη θέση της Coherent στην αγορά της αυτοκινητοβιομηχανίας - ήδη προμηθεύει υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή τσιπ που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή εξαρτημάτων αυτοκινήτων και ηλεκτρονικών - με την επένδυση $500 εκατομμυρίων έκαστη για 12,5% μη ελέγχουσας συμμετοχής στη νέα επιχειρηματική μονάδα τους.

Ηλεκτρονικά αυτοκινήτων

Τα ηλεκτρονικά ισχύος που κατασκευάζονται από συνεκτικό καρβίδιο του πυριτίου επιτρέπουν στα οχήματα να γίνουν πιο αποδοτικά και αξιόπιστα ενεργειακά, να μειώσουν τις εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα και να επιταχύνουν τη μετάβαση προς μια βιώσιμη κοινωνία. Επιτρέπουν την τεχνολογία αναγεννητικής πέδησης - η οποία μετατρέπει τη θερμική ενέργεια από την πέδηση σε ηλεκτρική ενέργεια, η οποία μπορεί στη συνέχεια να αποθηκευτεί σε μια μπαταρία ηλεκτρικού οχήματος - καθώς και τον έλεγχο και τη λειτουργία μεγαλύτερων ηλεκτρικών φορτίων, όπως θερμαντήρες, ανεμιστήρες και ηλεκτρονικές μηχανές.

Η Coherent ανακοίνωσε τον σχηματισμό της Silicon Carbide LLC ως νέας θυγατρικής της επιχείρησης SiC, για την παραγωγή GaN-on-SiC MOSFETs και άλλων διατάξεων RF και μικροκυμάτων σε υψηλής ποιότητας ημιμονωτικά πλακίδια SiC διαμέτρου έως και 200mm. Σύμφωνα με την Coherent, η Denso Automotive - ένας από τους σημαντικότερους προμηθευτές αυτοκινήτων - και η Mitsubishi Electric έχουν επενδύσει σημαντικά.

Οι επενδύσεις της Coherent θα επιτρέψουν τα σχέδια επέκτασης της παραγωγικής της ικανότητας και θα εξασφαλίσουν μια αξιόπιστη, κλιμακούμενη προμήθεια για την κάλυψη των αυξανόμενων απαιτήσεων της αγοράς για ηλεκτρονικές διατάξεις ισχύος με βάση το SiC. Η Coherent αναμένει σημαντική εξοικονόμηση κόστους μέσω της χρήσης SiC, το οποίο είναι σημαντικά φθηνότερο από τα παραδοσιακά υλικά ημιαγωγών, όπως τα τσιπ πυριτίου. Επιπλέον, το SiC μπορεί να αντέξει υψηλότερες θερμοκρασίες από τα τσιπ πυριτίου, γεγονός που επιτρέπει στους κατασκευαστές να συρρικνώνουν τα συστήματα ψύξης, μειώνοντας έτσι το βάρος και τις απαιτήσεις χώρου των προϊόντων - ένα σημαντικό στοιχείο καθώς οι αυτοκινητοβιομηχανίες προσπαθούν να μειώσουν το κόστος των οχημάτων, αυξάνοντας παράλληλα την αποδοχή των ηλεκτρικών οχημάτων από τους καταναλωτές.

Αποθήκευση ενέργειας

Τα τσιπ SiC παρέχουν στα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας μεγαλύτερη απόδοση και πυκνότητα ισχύος μειώνοντας τις απώλειες μεταγωγής, λειτουργώντας σε υψηλότερες θερμοκρασίες με μειωμένες απώλειες ρεύματος, καθώς και συμβάλλοντας στη μείωση των μεγεθών και του κόστους των εξαρτημάτων, ενώ ταυτόχρονα μειώνουν τα μεγέθη και το κόστος των εξαρτημάτων. Επιπλέον, η τεχνολογία αυτή διευκολύνει μικρότερα συστήματα ψύξης, μειώνοντας περαιτέρω τον όγκο και το βάρος του συστήματος.

Το SiC είναι ένα εξαιρετικό υλικό για την ανίχνευση μαγνητικών πεδίων λόγω του φυσικού μαγνητικού συντονισμού του, ο οποίος μπορεί να αξιοποιηθεί για εφαρμογές που περιλαμβάνουν ανίχνευση πεδίου. Επιπλέον, ο χρόνος συνοχής του σπιν είναι 10 φορές μεγαλύτερος από τους συμβατικούς ημιαγωγούς, επιτρέποντας γρήγορες και ακριβείς μετρήσεις που καθιστούν το SiC κατάλληλο για υψηλής ταχύτητας, συμπαγή μαγνητόμετρα χαμηλής ισχύος και υψηλής ανάλυσης.

Οι μελέτες για τις ατέλειες στο SiC έχουν χρησιμοποιήσει τον ηλεκτρονιακό παραμαγνητικό συντονισμό (EPR) και τον ηλεκτρικά ανιχνευόμενο μαγνητικό συντονισμό (EDMR), με ιδιαίτερη προσοχή στις κενές θέσεις άνθρακα που υπάρχουν σε στρώματα CVD όπως αυτά έχουν αναπτυχθεί και παρουσιάζουν μεγάλους χρόνους συνοχής σπιν σε θερμοκρασίες δωματίου9,10,35.

Ο Khan τονίζει τη σημασία της στενής συνεργασίας της θυγατρικής του Coherent με κορυφαίες εταιρείες συστημάτων για τη μεγιστοποίηση της μάθησης. Σύμφωνα με τον Khan, είναι ζωτικής σημασίας η κατανόηση των παραγόντων λήψης αποφάσεων από τους πελάτες και τους τελικούς χρήστες - όπως, για παράδειγμα, οι απαιτήσεις της αγοράς ηλεκτρικών οχημάτων, όπως η αναλογία αρχικού κόστους αγοράς/λειτουργικού κόστους, η ισορροπία μεταξύ εμβέλειας οδήγησης και χρόνου φόρτισης.