Výkonová elektronika využívajúca koherentný karbid kremíka

Karbid kremíka (SiC) je anorganický polovodičový materiál s mimoriadne širokou šírkou zakázaného pásma, ktorý môže striedavo pôsobiť buď ako elektrický vodič, alebo ako izolátor, vďaka čomu je užitočný v výkonovej elektronike vzhľadom na svoju vynikajúcu elektrickú vodivosť v porovnaní s tradičnými kremíkovými polovodičmi.

Spoločnosť EAG Laboratories disponuje rozsiahlymi odbornými znalosťami v oblasti vykonávania analytických techník na vzorkách SiC, a to ako hromadných, tak aj s priestorovým rozlíšením.

Vysokoteplotná výkonová elektronika

Elektrické vozidlá (EV) vyžadujú výkonové polovodičové prvky, ktoré sú schopné pracovať pri vyšších teplotách, s nižšími energetickými stratami a rýchlejším spínaním než prvky vyrobené z bežných kremíkových čipov. Materiály so širokou šírkou zakázaného pásma, ako je SiC, môžu tieto výhody poskytnúť a v laboratórnych experimentoch preukázali dobrý výkon; výroba integrovaných obvodov z nich však môže predstavovať špecifické výzvy; ich dodávateľský reťazec nemusí byť zatiaľ tak rozvinutý ako v prípade bežného kremíka.

Tím spoločnosti Coherent usilovne pracuje na znížení nákladov na SiC a skrátení výrobných lehôt, aby výrobcovia mohli zvýšiť účinnosť elektrických vozidiel a zároveň splniť požiadavky spotrebiteľov na výkon.

Závod spoločnosti Coherent v Saxonburgu v Pensylvánii využíva technológiu kremíka na izolátore (SOI) na výrobu vysokovýkonných epitaxiálnych doštičiek z karbidu kremíka (SiC) s priemerom až 200 mm pomocou techník kremíka na izolátore (SOI). Tieto doštičky sa dajú použiť pri výrobe rôznych zariadení výkonovej elektroniky, ako sú MOSFET a IGBT, ako aj vysokofrekvenčných výkonových zosilňovačov typu GaN-on-SiC a iných mikrovlnných zariadení.

Proces SOI spoločnosti Coherent umožňuje lepšiu kontrolu nad rastom vrstiev SiC, čím sa zvyšuje výťažnosť a výkon zariadení. Spoločnosť Coherent ponúka komplexné možnosti charakterizácie vrátane laserovej ablácie s indukčne viazanou plazmou a optickou emisnou spektroskopiou (LA-ICP-OES) a skenovacej elektrónovej mikroskopie s energeticky disperznou spektroskopiou (SEM-EDS), ktoré sú užitočnými nástrojmi na identifikáciu kritických defektov a zvýšenie výťažnosti.

Vysokofrekvenčné RF výkonové zosilňovače

S rýchlym rozmachom sietí 5G po celom svete zaznamenal dopyt po vysokofrekvenčných výkonových zosilňovačoch, ktoré posilňujú prenos bezdrôtových dátových signálov, exponenciálny nárast. Spoločnosť Coherent dodáva doštičky z karbidu kremíka, ktoré sú schopné efektívne fungovať v týchto nových vysokofrekvenčných pásmach na rozširovateľnej technologickej platforme.

Substráty z SiC od tejto spoločnosti prispievajú k efektívnejšiemu fungovaniu výkonovej elektroniky tým, že znižujú tvorbu tepla, čím sa zmenšujú rozmery chladiacich systémov – čo vedie k úsporám nákladov na energiu a zároveň k úsporám priestoru potrebného na chladiace systémy.

Polovodiče na báze SiC môžu pracovať pri vyšších frekvenciách ako čipy z čistého kremíka, čím zvyšujú rýchlosť a dojazd elektrických áut. Okrem toho polovodiče na báze SiC produkujú menej odpadového tepla a zároveň odolávajú vyšším teplotám – to znamená, že môžu poháňať úspornejšie vozidlá s nižšou spotrebou paliva.

Spoločná investícia spoločnosti Coherent s japonskými firmami Denso a Mitsubishi Electric jej umožní zvýšiť výrobu 200 mm substrátov z karbidu kremíka a epitaxiálnych doštičiek, ako aj uzavrieť dlhodobé dodávateľské zmluvy na trhových podmienkach s cieľom uspokojiť dopyt týchto japonských firiem po 150 mm a 200 mm SiC. Okrem toho táto dohoda posilňuje pozíciu spoločnosti Coherent na automobilovom trhu – už teraz dodáva materiály používané na výrobu čipov pre automobilové súčiastky a elektroniku – pričom každá zo spoločností investuje 500 miliónov dolárov za 12,5 % nekontrolný podiel v ich novej obchodnej jednotke.

Automobilová elektronika

Výkonová elektronika vyrobená z koherentného karbidu kremíka umožňuje zvýšiť energetickú účinnosť a spoľahlivosť vozidiel, znížiť emisie oxidu uhličitého a urýchliť prechod k udržateľnej spoločnosti. Umožňuje využívanie technológie rekuperatívneho brzdenia – ktorá premieňa tepelnú energiu vznikajúcu pri brzdení na elektrickú energiu, ktorú je možné následne uložiť do batérie elektrického vozidla – ako aj riadenie a prevádzku väčších elektrických spotrebičov, ako sú ohrievače, ventilátory a elektromotory.

Spoločnosť Coherent oznámila založenie spoločnosti Silicon Carbide LLC ako svojej novej dcérskej spoločnosti zameranej na SiC, ktorej úlohou bude výroba MOSFETov typu GaN-on-SiC a ďalších vysokofrekvenčných a mikrovlnných zariadení na vysoko kvalitných poloizolačných SiC doštičkách s priemerom až 200 mm. Podľa spoločnosti Coherent do projektu významne investovali spoločnosti Denso Automotive – jeden z hlavných dodávateľov pre automobilový priemysel – a Mitsubishi Electric.

Investície spoločnosti Coherent umožnia realizáciu jej plánov na rozšírenie výrobných kapacít a zabezpečia spoľahlivé a škálovateľné dodávky na uspokojenie rastúceho dopytu trhu po výkonových elektronických zariadeniach na báze SiC. Spoločnosť Coherent očakáva výrazné úspory nákladov vďaka použitiu SiC, ktorý je podstatne lacnejší ako tradičné polovodičové materiály, ako sú čipy z kremíka. Okrem toho SiC vydrží vyššie teploty ako kremíkové čipy, čo výrobcom umožňuje zmenšiť chladiace systémy, a tým znížiť hmotnosť a priestorové nároky výrobkov – čo je dôležitý faktor, keďže automobilové spoločnosti sa snažia znižovať náklady na vozidlá a zároveň zvyšovať akceptáciu elektrických vozidiel zo strany spotrebiteľov.

Ukladanie energie

Čipy SiC poskytujú systémom na ukladanie energie vyššiu účinnosť a hustotu výkonu tým, že znižujú spínacie straty, pracujú pri vyšších teplotách so zníženými prúdovými stratami a prispievajú k zmenšeniu rozmerov a zníženiu nákladov na komponenty. Okrem toho táto technológia umožňuje použitie menších chladiacich systémov, čím sa ďalej znižuje objem a hmotnosť systému.

SiC je vynikajúci materiál na snímanie magnetického poľa vďaka svojej prirodzenej magnetickej rezonancii, ktorú je možné využiť v aplikáciách zameraných na detekciu magnetického poľa. Navyše je jeho doba spinovej koherencie 10-krát dlhšia ako u bežných polovodičov, čo umožňuje rýchle a presné merania, vďaka čomu je SiC vhodný pre vysokorýchlostné, kompaktné magnetometre s nízkym príkonom a vysokým rozlíšením.

Pri skúmaní defektov v SiC sa využívali metódy elektrónovej paramagnetickej rezonancie (EPR) a elektricky detekovanej magnetickej rezonancie (EDMR), pričom osobitná pozornosť bola venovaná uhlíkovým vakanciám prítomným v čerstvo vyprodukovaných CVD vrstvách, ktoré vykazujú dlhé doby koherencie spinu pri izbovej teplote9,10,35.

Khan zdôrazňuje, aké dôležité je, aby jeho dcérska spoločnosť Coherent úzko spolupracovala s poprednými systémovými firmami s cieľom maximalizovať získané poznatky. Podľa Khana je mimoriadne dôležité pochopiť faktory ovplyvňujúce rozhodovanie zákazníkov a koncových užívateľov – ako sú napríklad požiadavky trhu s elektrickými vozidlami, medzi ktoré patrí pomer počiatočných nákupných nákladov a prevádzkových nákladov či rovnováha medzi dojazdom a dobou nabíjania.