Koherentti piikarbidi

Piikarbidipuolijohteet ylpeilevät laajemmilla kaistanleveyksillä, jotka mahdollistavat sähköenergian siirron tehokkaammin kuin piistä valmistetut puolijohteet, joten ne soveltuvat esimerkiksi sähköajoneuvojen tehoelektroniikkaan ja avaruustutkimuslaitteisiin. Tämän vuoksi piikarbidi soveltuu erityisen hyvin käytettäväksi mönkijöissä ja luotaimissa.

Coherent perustaa uuden tytäryhtiön toimittamaan 150 mm:n ja 200 mm:n piikarbidialustoja (SiC) ja epitaksikiekkoja. Sohail Khan, Coherentin Wide Bandgap Electronic Technologies -yksikön varatoimitusjohtaja, johtaa tätä uutta osastoa.

Tehoelektroniikka

Piikarbidisirujen ansiosta sähköajoneuvojen akkujen teho kasvaa ja toimintasäde pitenee, koska niiden hyötysuhde on korkeampi, mikä tarkoittaa, että energiaa menee vähemmän hukkaan lämpönä. Niiden lämmönkestävyyden ansiosta suunnittelijat voivat myös rakentaa pienempiä komponentteja, mikä säästää tilaa ja kustannuksia.

Siruvalmistajat pyrkivät kilpaa vastaamaan tämän teknologian kysyntään kehittämällä tuotantoinfrastruktuuria SiC-kiekkoille, jotka ovat ohuita puolijohdemateriaaliviipaleita, joihin on lisätty erilaisia aineita. Tähän kilpajuoksuun liittyy kuitenkin useita esteitä ja haasteita, kuten tehokkaiden tehtaiden luominen ja alhaisemmat tuotantokustannukset.

Wolfspeed, Infineon ja SK Hynix ovat jo ilmoittaneet suunnitelmistaan rakentaa uusia kiekkotehtaita, jotka pystyvät vastaamaan sähköautomarkkinoiden kasvavaan kysyntään - jonka ennustetaan ylittävän $2 biljoonaa vuonna 2040 - näiden kehityskulkujen tarjoamien tuottoisten mahdollisuuksien ansiosta.

Sohail Khan, Coherentin uusista hankkeista ja laajakaistaisen elektroniikan teknologioista vastaava varatoimitusjohtaja, on todennut, että sähköajoneuvojen tehopuolijohteita valmistavat yritykset tarvitsevat luotettavampia piikarbidikiekkoja, jotta ne voivat valmistaa luotettavampia tehopuolijohteita näihin ajoneuvoihin. Tähän tarpeeseen vastaamiseksi Coherent perusti hiljattain tytäryhtiön, joka on omistettu yksinomaan piikarbidikiekkojen valmistuskapasiteetin laajentamiseen.

DENSO ja Mitsubishi Electric sijoittavat kumpikin $500 miljoonaa euroa 12,5%:n omistusosuuteen Coherentin vastaperustetusta liiketoiminnasta, mikä antaa Coherentille pääomaa 200 mm:n piikarbidisubstraattien (SiC) ja epitaksikiekkojen tuotannon laajentamiseen sekä pitkäaikaisten toimitussopimusten solmimiseen japanilaisten yritysten tarpeiden täyttämiseksi.

Coherentin kumppanuus voisi auttaa sitä toipumaan viimeaikaisten vaikeuksiensa jälkeen. Ensimmäisen vuosineljänneksen liikevaihto kasvoi hieman, mutta jäi viimeaikaisia huippulukemia alhaisemmaksi optisten moduulien ja lasereiden vahvan myynnin ansiosta.

Kaupan tavoitteena on laajentaa Coherentin piikarbidiliiketoimintaa ja vakiinnuttaa asema merkittävänä tehopuolijohteiden toimittajana. Khan on todennut, että on tärkeää, että yrityksellä on alusta alkaen vahvat pääasiakkaat, joten hän valitsi heti alussa asiakkaikseen DENSOn ja Mitsubishin, jotka ovat molemmat autoteollisuuden tehojärjestelmien huipputoimittajia ja jotka ovat ostaneet 150 mm:n SiC-substraatteja Coherentilta.

RF & mikroaallot

Sähköajoneuvojen suosion kasvaessa piikarbidisirut (SiC) ovat nopeasti nousseet puolijohdeyritysten keskipisteeksi. SiC on paljon edullisempi kuin perinteiset piisirut ja se voi toimia korkeammissa lämpötiloissa, minkä ansiosta valmistajat voivat pienentää jäähdytysjärjestelmiä ja vähentää painoa ja kustannuksia samalla kun tehotiheys kasvaa ja tuotantoaika lyhenee - tämä on tärkeä näkökohta, kun halutaan vastata kuluttajien kysyntään sähköajoneuvojen osalta.

SiC-sirujen on osoitettu toimivan hyvin laboratoriokokeissa, mutta niiden integroiminen virtapiireihin voi olla monimutkaisempaa, koska lisääntyneet energiavaatimukset ja nopeammat lämmitysnopeudet edellyttävät erikoismateriaaleja ja -prosesseja, joilla varmistetaan, että ne voivat toimia suurilla nopeuksilla ilman ylikuumenemista tai toimintahäiriöitä.

Vastauksena näihin haasteisiin Coherent (entinen II-VI) ilmoitti aikovansa perustaa tytäryhtiön, joka keskittyy yksinomaan SiC:n tuotantoon ja joka valmistaa substraatteja ja epitaksikiekkoja ja tekee tiivistä yhteistyötä asiakkaiden kanssa kaikissa tuotantovaiheissa raaka-aineesta valmiiden laitteiden tai moduulien tuotantoon. Coherent aikoo investoida tuotantolaitosten kapasiteetin laajentamiseen ja parantaa samalla tutkimus- ja kehitystoimintaa sekä palvelukapasiteettia.

Denso ja japanilainen Mitsubishi Electric investoivat kumpikin $500 miljoonaa euroa ja saavat vastineeksi 12,5 prosentin omistusosuuden uudessa tytäryhtiössään. Lisäksi solmitaan pitkäaikaisia toimitussopimuksia, joilla tyydytetään näiden japanilaisten yritysten kysyntä 150 mm:n ja 200 mm:n SiC-substraattien ja epitaksikiekkojen osalta.

Coherentin yhteistyö tuo taloudellisia etuja sekä innovatiivista teknologiaa nopeasti kasvaville sähköautomarkkinoille. Yksi tällainen innovaatio liittyy piikarbidin värikeskusten spin-koherenssin parantamiseen magneettikenttien ja RF-pulssien avulla; erityisesti kohdistetaan 29Si-ydinkehän spinit, joilla on pitkät spin-koherenssiajat, joita voidaan parantaa.

Nämä signaalit heijastuvat sitten takaisin samalla kanavalla ja havaitaan täsmälleen samaan aikaan, jolloin luodaan koherentti lukema perustilasta ja mahdollistetaan qudit-tilojen spektrisesti selektiivinen koherentti ohjaus; kuva S8 havainnollistaa tätä 4H-SiC30-tilojen osalta sekä PDMR- että ODMR-tiloissa.

Autoteollisuus

Piikarbidi (SiC) tarjoaa ainutlaatuisia ominaisuuksia korkeissa lämpötiloissa tai korkeissa jännitteissä toimiville elektroniikkalaitteille, ja sitä käytettiin alun perin vuonna 1907 valodiodien (LEDien) ja radiolaitteiden ilmaisimien kanssa. Nykyään sitä käytetään mieluiten korkeajännitteisissä tehokytkentäsovelluksissa - SiC MOSFET voi kytkeytyä yli 100 kertaa nopeammin kuin perinteiset piitransistorit ja säilyttää samalla vertailukelpoiset lämpötilat.

Coherentin piikarbidipuolijohteiden asiantuntemusta käyttävät asiakkaat, kuten japanilainen autoteollisuuden alihankkija DENSO ja tokiolainen Mitsubishi Electric, tukeakseen niitä SiC:tä käyttävissä autoteollisuuden sovelluksissa, mukaan lukien sähköajoneuvojen tehoelektroniikka. Yhdessä ne ovat investoineet yhteensä $1 miljardia Coherentin piikarbidipuolijohdeliiketoimintaan.

Coherent säilyttää 75% omistusosuuden ja määräysvallan tässä uudessa tytäryhtiössä, kun taas DENSO ja Mitsubishi Electric omistavat kumpikin 12,5% ei-omistusvaltaisia osuuksia. Coherentin tavoitteena on luoda tulevaisuudessa toiminta- ja pääomakustannukset riippumattomasti Coherentin muista liiketoiminnoista, joten tämän liiketoiminnan pitäisi ajan mittaan luoda omat toimintakustannuksensa.

Asiakkaisiin kuuluu joitakin maailman johtavia autoteollisuuden yrityksiä. “Ihannetapauksessa”, toteaa Khan vastaperustetun tytäryhtiönsä johtajana. Uusi tytäryhtiö tekee yhteistyötä yritysten kanssa sekä substraatti/epiwafer-tasolla että laite- tai moduulitasolla.

Kun automaailmassa siirrytään nopeasti kohti sähköajoneuvoja, autonvalmistajilla pitäisi olla käytettävissään vain suorituskykyisimmät ja kustannustehokkaimmat tehokytkentälaitteet. Coherentin piikarbiditehotransistorit eivät ainoastaan tarjoa erinomaista suorituskykyä ja luotettavuutta, vaan ne myös edistävät ympäristönsuojelua vähentämällä energiankulutusta, lisäämällä tehokkuutta ja nopeuttamalla siirtymistä kohti vähähiilistä yhteiskuntaa.

Coherentin SiC-puolijohdetuotteilla on alan johtavat avalanche-luokitukset ja RDS(on) korkeissa lämpötiloissa, minkä ansiosta suunnittelijat voivat suunnitella tehonmuuntojärjestelmiä, joiden hyötysuhde on parempi ja käyttökustannukset pienemmät. Lisäksi näitä SiC-tuotteita voidaan valmistaa korkeammilla kytkentätaajuuksilla, ja niiden lämpötila-, taajuus- ja jännitekapasiteetti on parempi kuin piistä valmistettujen vastaavien tuotteiden, mikä mahdollistaa pienempien ja kevyempien moottoreiden valmistamisen, joita tarvitaan seuraavan sukupolven ympäristöystävällisten autojen saattamiseksi markkinoille.

Ilmailu- ja avaruusala

SiC on osoittautunut korvaamattomaksi ilmailu- ja avaruusteollisuudelle erilaisissa vaativissa sovelluksissa, kuten suuritehoisissa laservahvistimissa, vaativien olosuhteiden tunnistuksessa, LiDAR-järjestelmissä ja anturiryhmissä. Markkinatutkimusyritys Yole Groupin arvion mukaan SiC-markkinoiden koko avaruudessa ylittää $21 miljardia Yhdysvaltain dollaria vuoteen 2027 mennessä (Chiu & Dogmus).

Piikarbidilla (SiC) on monia käyttökohteita, ja elektroniikka äärimmäisissä olosuhteissa on yksi sen houkuttelevimmista käyttökohteista. SiC:n keskeisten ominaisuuksien ansiosta se soveltuu erinomaisesti käytettäväksi ympäristöissä, kuten lentokoneiden moottoreissa, satelliittinavigointijärjestelmissä, tutkissa ja viestintäjärjestelmissä, jotka vaativat korkeita lämpötiloja ja jännitteitä.

SiC:n menestyksekäs käyttö näissä ääriolosuhteissa vaatii kuitenkin muutakin kuin pelkän teollisen mittakaavan valmistusprosessin, sillä sen molekyylitason ominaisuudet on tunnettava perusteellisesti.

Berkeleyn Kalifornian yliopiston tutkijat ovat edistyneet tavoitteensa saavuttamisessa. Korkean resoluution spektroskopiaa hyödyntäen he ovat havainneet kvanttivaiheen siirtymiä kiteisessä piikarbidissa; heidän havaintonsa voivat antaa vihjeitä elektronisten spin-tilojen käyttäytymisestä matalissa lämpötiloissa.

Tämä löytö antaa aiempaa kattavamman kuvan piikarbidin fysikaalisesta käyttäytymisestä, mikä voi auttaa insinöörejä suunnittelemaan huoneenlämpöisiä masereita ja herkkiä magneettikenttäantureita, joissa käytetään piikarbidia.

Coherent soveltaa oppimaansa uusimmassa hankkeessaan. Yhtiö perusti hiljattain tytäryhtiön laajentaakseen vertikaalisesti integroitua SiC-substraattien, epiwafereiden ja laitteiden tuotantoa, ja Denso ja Mitsubishi Electric investoivat yhteensä $1 miljardia tähän yritykseen, jota johtaa Sohail Khan, Coherentin Wide Bandgap Electronic Technologies -yksikön varatoimitusjohtaja.

Kaksi japanilaista monialayritystä sijoittaa Khanin mukaan kumpikin $500 miljoonaa euroa uuteen tytäryhtiöön ja saa vastineeksi 12,5% määräysvallattomasta omistusosuudesta ja pitkäaikaisista toimitussopimuksista, joilla tuetaan sen SiC-toimintaa. Hänen mukaansa tämä lähestymistapa antaa hänen tiimilleen mahdollisuuden saada mahdollisimman paljon asiakaspalautetta, mikä on välttämätöntä menestyksen kannalta.