Semikonduktor Silikon Karbida

Silikon memang sudah dikenal luas sebagai bahan andalan dalam produksi semikonduktor, namun ada bahan lain yang mungkin akan menjadi terobosan besar berikutnya untuk aplikasi tenaga listrik – karbida silikon.

Silikon Karbida (SiC) memiliki sifat listrik dan termal yang lebih unggul dibandingkan silikon, dengan tegangan rusaknya yang jauh lebih tinggi dan resistansi pengaktifan yang lebih rendah dalam aplikasi switching berkecepatan tinggi. Berkat keunggulan-keunggulan ini, SiC menonjol sebagai bahan yang lebih cocok daripada silikon untuk tugas-tugas semacam itu.

Manfaat

Semikonduktor silikon karbida digunakan dalam berbagai perangkat elektronik, mulai dari kendaraan listrik dan sistem energi surya hingga teknologi 5G. Karakteristik termal dan listriknya yang unik membuatnya lebih hemat biaya dibandingkan semikonduktor silikon; oleh karena itu, popularitasnya telah melonjak pesat selama beberapa tahun terakhir. Permintaan pun ikut melonjak tajam.

Semikonduktor karbida silikon menawarkan banyak keunggulan dalam hal efisiensi daya, kecepatan switching yang lebih tinggi, pengurangan kerugian perangkat, serta ketahanan yang lebih baik terhadap suhu tinggi dan tegangan rusaknya dibandingkan dengan semikonduktor silikon konvensional. Selain itu, konstruksi yang lebih tahan lama memungkinkan perangkat ini bertahan lebih baik di bawah kondisi lingkungan yang ekstrem; semua hal tersebut berkontribusi pada popularitasnya sebagai pilihan utama untuk aplikasi baru seperti stasiun pengisian kendaraan listrik dan inverter surya.

IGBT dan transistor bipolar sebelumnya merupakan perangkat andalan untuk aplikasi elektronika daya, namun perangkat-perangkat ini menghadirkan berbagai tantangan, seperti frekuensi switching yang terbatas dan produksi panas yang berlebihan. Perangkat SiC memiliki celah pita yang lebih lebar, sehingga memungkinkan frekuensi switching yang lebih tinggi dengan resistansi turn-on yang lebih rendah; selain itu, titik lelehnya lebih rendah daripada silikon, yang berarti perangkat ini dapat menahan suhu yang lebih tinggi dengan mudah.

Tergantung pada aplikasinya, semikonduktor karbida silikon dapat digunakan bersama bahan lain seperti polimer dan keramik, sehingga harus diuji secara menyeluruh untuk memastikan kualitas dan keamanannya – metode-metode tersebut antara lain pengujian fluoresensi sinar-X dan Spektrometri Massa Pelepasan Cahaya (GDMS).

Aplikasi

Silikon karbida adalah bahan yang luar biasa yang mampu merevolusi bidang elektronika daya. Sebagai semikonduktor dengan celah pita lebar, silikon karbida menawarkan berbagai keunggulan dibandingkan semikonduktor silikon dalam hal penanganan lonjakan tegangan, waktu peralihan yang lebih cepat, dan kerugian perangkat yang lebih rendah, serta ketahanan terhadap suhu yang lebih tinggi—sifat-sifat yang membuatnya cocok untuk kendaraan listrik, aplikasi industri, dan inverter surya.

Silikon Karbida (SiC) adalah bahan keramik yang paling ringan dan paling keras, dengan konduktivitas termal yang unggul serta ketahanan kimia yang tinggi terhadap asam dan alkali. Selain itu, SiC memiliki kemampuan isolasi listrik 10 kali lebih tinggi daripada silikon, dengan kekuatan medan hancur yang sangat tinggi—sepuluh kali lipat lebih besar daripada kekuatan medan hancur silikon—serta komposisinya yang sepenuhnya tidak beracun.

Perangkat daya SiC telah menjadi sumber daya yang tak tergantikan dalam berbagai aplikasi. Mulai dari memfasilitasi terobosan di bidang mobilitas listrik hingga mendukung digitalisasi di lingkungan industri, perangkat daya ini telah terbukti bermanfaat di berbagai sektor dan industri. Mulai dari sistem manajemen baterai dan pengisi daya onboard, hingga konverter DC/DC – perangkat SiC telah dengan cepat menjadi standar industri, membantu mewujudkan kehidupan yang lebih berkelanjutan sekaligus mengurangi biaya stasiun pengisian daya.

Silikon karbida telah merevolusi bidang elektronika daya berkat sifat fisik dan elektroniknya yang unik. Sebagai salah satu dari sedikit semikonduktor celah pita lebar dengan struktur kristal heksagonal (4H-SiC), silikon karbida merupakan bahan yang sangat baik untuk perangkat daya tegangan tinggi yang harus tahan terhadap lingkungan yang keras sekaligus memiliki kecepatan switching yang lebih tinggi, kerugian daya yang lebih rendah, dan bahkan dapat digunakan pada frekuensi yang sangat tinggi tanpa mengorbankan kinerja atau keandalan. Bahan ini berpotensi menggantikan IGBT atau transistor bipolar yang ada saat ini tanpa mengorbankan kinerja atau keandalan.

Manufaktur

Silikon karbida (SiC) adalah bahan semikonduktor yang sangat serbaguna. Bahan ini dapat didoping secara intensif baik menjadi tipe-n maupun tipe-p dengan nitrogen, fosfor, aluminium, atau gallium untuk mencapai konduktivitas logam dan memberikan kilau khas seperti pelangi pada kristal SiC murni; SiC kelas industri sering kali mengandung pengotor besi yang mengubah warnanya dari coklat menjadi hitam.

Sifat isolasi semikonduktor ini berasal dari struktur kristalnya. Lapisan-lapisan atomnya menciptakan kesesuaian yang sangat rapat antara pita valensi dan pita konduksi, sehingga pergerakan elektron antar lapisan menjadi lebih sulit — hal ini memberinya kemampuan untuk menahan medan listrik hampir sepuluh kali lipat lebih besar daripada silikon.

Dioda Schottky silikon karbida memiliki resistansi on dan muatan gerbang total yang lebih rendah, sehingga lebih efisien dan lebih cepat dibandingkan dioda sejenis yang berbasis silikon – sangat ideal untuk aplikasi yang membutuhkan daya besar seperti konverter daya dan sakelar pada kendaraan listrik (EV) atau sistem energi terbarukan.

Pembuatan semikonduktor silikon karbida merupakan proses yang rumit. Proses ini melibatkan penggunaan beberapa peralatan untuk menghasilkan wafer dengan kekasaran permukaan kurang dari 1 mikron, sebelum dipoles menggunakan cairan chemical mechanical polishing (CMP) pada bantalan berbahan felt atau yang dilapisi uretan guna menghilangkan kerusakan dan oksidasi permukaan – langkah yang dikenal sebagai pengamplasan kimia-mekanis ini sangat penting untuk mempersiapkan permukaan substrat guna pertumbuhan epitaksial sekaligus menjaga stabilitas bentuk wafer.

Harga

Silikon karbida tersedia dalam berbagai bentuk dan aplikasi. Mulai dari alat potong dan bahan abrasif, hingga semikonduktor dan bahkan mineral transparan moissanite – silikon karbida telah lama diproduksi secara sintetis sejak tahun 1893 di fasilitas produksi berskala besar dan juga ditemukan secara alami. Sebagai bahan yang keras dan tahan lama, silikon karbida mampu menahan suhu tinggi maupun tekanan mekanis tanpa pecah.

Semikonduktor silikon karbida sedang mengalami ekspansi pasar global yang pesat seiring dengan upaya berbagai perusahaan dalam mencari solusi manajemen daya yang efektif. Sifat termal dan listriknya yang unik menjadikannya pilihan yang populer di kalangan aplikasi industri; selain itu, skalabilitasnya memungkinkan produsen untuk menekan biaya produksi.

Allegro Microsystems adalah salah satu perusahaan yang melakukan ekspansi untuk memenuhi permintaan yang terus meningkat akan semikonduktor silikon karbida. Sebagai salah satu pemimpin industri dalam bidang solusi sensor dan daya untuk penggerak motor, Allegro melakukan ekspansi untuk memenuhi permintaan tersebut.

Silikon karbida merupakan komponen penting dalam semikonduktor daya yang semakin banyak digunakan dalam pengisi daya baterai kendaraan listrik, sistem pengisian daya terintegrasi pada kendaraan listrik, konverter DC-DC, turbin angin, dan inverter fotovoltaik seiring melonjaknya permintaan akan sumber energi terbarukan. Pemain utama lainnya meliputi II-VI Coherent Corp., Semiconductor Components Industries LLC, dan WOLFSPEED INC. Penggunaan silikon karbida sebagai bagian dari semikonduktor daya diproyeksikan akan mendorong pertumbuhan di segmen pasar ini.