Półprzewodnik z węglika krzemu

Krzem jest dobrze znany jako podstawowy materiał w produkcji półprzewodników, ale inny materiał może stać się kolejnym wielkim osiągnięciem w zastosowaniach energetycznych - węglik krzemu.

Węglik krzemu (SiC) charakteryzuje się lepszymi właściwościami elektrycznymi i termicznymi niż krzem, ze znacznie wyższym napięciem przebicia i niższą rezystancją włączenia, jeśli chodzi o aplikacje szybkiego przełączania. Ze względu na te zalety, SiC wyróżnia się jako materiał bardziej odpowiedni niż krzem do takich zadań.

Korzyści

Półprzewodniki z węglika krzemu są wykorzystywane w wielu urządzeniach elektronicznych, od pojazdów elektrycznych i systemów energii słonecznej po technologię 5G. Ich odmienne właściwości termiczne i elektryczne sprawiają, że są one bardziej opłacalne niż ich krzemowe odpowiedniki; stąd ich popularność gwałtownie wzrosła na przestrzeni lat. Popyt na nie odpowiednio wzrósł.

Półprzewodniki z węglika krzemu oferują wiele korzyści w zakresie wydajności energetycznej, szybszych prędkości przełączania, zmniejszonych strat urządzenia i lepszej odporności na wysokie temperatury i napięcia przebicia w porównaniu do ich krzemowych odpowiedników. Co więcej, ich bardziej wytrzymała konstrukcja pozwala im lepiej wytrzymać w trudnych warunkach środowiskowych; wszystko to przyczynia się do tego, że stają się one popularnym wyborem dla nowych zastosowań, takich jak stacje ładowania pojazdów elektrycznych i falowniki słoneczne.

Tranzystory IGBT i tranzystory bipolarne były wcześniej urządzeniami stosowanymi w elektronice mocy, jednak urządzenia te wiążą się z wieloma wyzwaniami, takimi jak ograniczone częstotliwości przełączania i nadmierne wytwarzanie ciepła. Urządzenia SiC charakteryzują się szerszymi przerwami pasmowymi, które umożliwiają wyższe częstotliwości przełączania przy zmniejszonej rezystancji włączenia, a jednocześnie mają niższą temperaturę topnienia niż krzem, co oznacza, że z łatwością tolerują wyższe temperatury.

W zależności od zastosowania, półprzewodniki z węglika krzemu mogą być wykorzystywane z innymi materiałami, takimi jak polimery i ceramika, i dlatego muszą być dokładnie przetestowane, aby zapewnić zarówno jakość, jak i bezpieczeństwo - takie metody obejmują badanie fluorescencji rentgenowskiej i spektrometrię masową wyładowań jarzeniowych (GDMS).

Zastosowania

Węglik krzemu to imponujący materiał, który może zrewolucjonizować energoelektronikę. Jako półprzewodnik o szerokim paśmie wzbronionym, węglik krzemu oferuje wiele zalet w porównaniu do swoich krzemowych odpowiedników pod względem obsługi skoków napięcia, krótszych czasów przełączania i niższych strat urządzenia, a także odporności na wyższe temperatury - cechy, które sprawiają, że nadaje się on zarówno do pojazdów elektrycznych, zastosowań przemysłowych, jak i falowników słonecznych.

Węglik krzemu (SiC) jest najlżejszym i najtwardszym materiałem ceramicznym o doskonałej przewodności cieplnej i odporności chemicznej na kwasy i ługi. Dodatkowo, SiC oferuje izolację elektryczną 10 razy większą niż krzem, z niezwykle wysoką siłą pola przebicia dziesięciokrotnie większą niż siła pola przebicia krzemu, będąc całkowicie nietoksycznym w swoim składzie.

Urządzenia zasilające SiC stały się nieodzownym zasobem w różnych zastosowaniach. Od umożliwienia przełomu w elektromobilności po wspieranie cyfryzacji w warunkach przemysłowych, te urządzenia zasilające okazały się przydatne w wielu sektorach i branżach. Od systemów zarządzania akumulatorami i ładowarek pokładowych po konwertery DC/DC - urządzenia SiC szybko stały się standardem branżowym, pomagając uczynić życie bardziej zrównoważonym przy jednoczesnym obniżeniu kosztów stacji ładowania.

Węglik krzemu zrewolucjonizował energoelektronikę dzięki swoim unikalnym właściwościom fizycznym i elektronicznym. Jako jeden z niewielu półprzewodników o szerokim paśmie przenoszenia i heksagonalnej strukturze krystalicznej (4H-SiC), węglik krzemu jest doskonałym materiałem dla wysokonapięciowych urządzeń zasilających, które muszą wytrzymywać trudne warunki środowiskowe, a jednocześnie charakteryzować się większą szybkością przełączania, mniejszymi stratami, a nawet mogą być używane przy bardzo wysokich częstotliwościach bez uszczerbku dla wydajności lub niezawodności. Materiał ten może potencjalnie zastąpić istniejące tranzystory IGBT lub tranzystory bipolarne bez uszczerbku dla wydajności i niezawodności.

Produkcja

Węglik krzemu (SiC) jest niezwykle wszechstronnym materiałem półprzewodnikowym. Może być silnie domieszkowany zarówno typu n, jak i typu p azotem, fosforem, glinem lub galem, aby uzyskać przewodnictwo metaliczne i nadać czystym kryształom SiC charakterystyczny tęczowy połysk; gatunki przemysłowe często zawierają zanieczyszczenia żelazem, które zmieniają ich kolor z brązowego na czarny.

Izolacyjne właściwości tego półprzewodnika wynikają z jego krystalicznej struktury. Jego warstwy atomowe tworzą ciasne dopasowanie między pasmami walencyjnymi i przewodzącymi, sprawiając, że ruch elektronów między warstwami jest trudniejszy - dzięki czemu jest w stanie wytrzymać prawie dziesięć razy więcej pól elektrycznych niż krzem.

Diody Schottky'ego z węglika krzemu oferują zmniejszoną rezystancję włączenia i całkowity ładunek bramki, dzięki czemu są bardziej wydajne i szybsze niż ich odpowiedniki na bazie krzemu - idealne do zastosowań wymagających dużej mocy, takich jak konwertery mocy i przełączniki w pojazdach elektrycznych (EV) lub systemach energii odnawialnej.

Produkcja półprzewodników z węglika krzemu to skomplikowany proces. Obejmuje on użycie kilku urządzeń do produkcji płytek o chropowatości powierzchni mniejszej niż 1 mikron, przed polerowaniem płynem do chemicznego polerowania mechanicznego (CMP) na podkładkach filcowych lub impregnowanych uretanem w celu usunięcia uszkodzeń i utlenienia powierzchni - ten etap znany jako chemiczne polerowanie mechaniczne ma kluczowe znaczenie dla przygotowania powierzchni podłoża do wzrostu epitaksjalnego przy jednoczesnym zachowaniu stabilności kształtu płytki.

Wycena

Węglik krzemu występuje w różnych formach i zastosowaniach. Od narzędzi skrawających i materiałów ściernych po półprzewodniki, a nawet półprzezroczysty minerał moissanit - węglik krzemu od dawna jest wytwarzany syntetycznie od 1893 roku w dużych zakładach produkcyjnych i występuje naturalnie. Jako materiał twardy i trwały, może wytrzymać zarówno wysokie temperatury, jak i obciążenia mechaniczne bez pękania.

Półprzewodniki z węglika krzemu cieszą się szybką ekspansją na rynku globalnym, ponieważ firmy poszukują skutecznych rozwiązań w zakresie zarządzania energią. Ich unikalne właściwości termiczne i elektryczne sprawiają, że są one popularnym wyborem w zastosowaniach przemysłowych; ponadto ich skalowalność pozwala producentom obniżyć koszty produkcji.

Allegro Microsystems jest jedną z takich firm, która rozwija się, aby sprostać rosnącemu zapotrzebowaniu na półprzewodniki z węglika krzemu. Jako jeden z liderów w branży czujników i rozwiązań zasilania dla napędów silnikowych, Allegro rozwija się, aby zaspokoić popyt.

Węglik krzemu jest integralnym składnikiem półprzewodników mocy, które stają się coraz większą częścią ładowarek akumulatorów pojazdów elektrycznych, pokładowych systemów ładowania pojazdów elektrycznych, przetwornic DC-DC, turbin wiatrowych i falowników fotowoltaicznych w miarę wzrostu zapotrzebowania na odnawialne źródła energii. Inni kluczowi gracze to II-VI Coherent Corp., Semiconductor Components Industries LLC i WOLFSPEED INC. Przewiduje się, że wykorzystanie węglika krzemu jako części półprzewodników mocy będzie napędzać wzrost w tym segmencie rynku.