Energetska elektronika s koherentnim silicijevim karbidom

Silicijev karbid (SiC) je anorganski polprevodniški material z izjemno široko pasovno širino, ki lahko izmenično deluje kot električni prevodnik ali izolator, zaradi česar je uporaben v močnostni elektroniki, saj je njegova električna prevodnost boljša od tradicionalnih silicijevih polprevodnikov.

Laboratoriji EAG imajo obsežno strokovno znanje in izkušnje pri izvajanju obsežnih in prostorsko ločenih analitičnih tehnik na vzorcih SiC.

Visokotemperaturna močnostna elektronika

Električna vozila (EV) zahtevajo napajalne polprevodniške naprave, ki lahko delujejo pri višjih temperaturah, manjših energijskih izgubah in višjih preklopnih hitrostih kot naprave iz običajnih silicijevih čipov. Te prednosti lahko zagotovijo materiali s široko pasovno vrzeljo, kot je SiC, ki so se v laboratorijskih poskusih izkazali za uspešne; vendar je izdelava integriranih vezij iz tega materiala lahko poseben izziv; njegova dobavna veriga morda še ni tako razvita kot za običajni silicij.

Ekipa podjetja Coherent si prizadeva zmanjšati stroške SiC in skrajšati proizvodne roke, tako da lahko proizvajalci povečajo učinkovitost električnih vozil in hkrati izpolnijo zahteve potrošnikov glede zmogljivosti.

Tovarna družbe Coherent v Saxonburgu v Pensilvaniji uporablja tehnologijo silicij na izolatorju (SOI) za proizvodnjo visoko zmogljivih epitaksijskih rezin SiC s premerom do 200 mm z uporabo tehnik silicij na izolatorju (SOI). Te ploščice se lahko uporabljajo za izdelavo različnih naprav močnostne elektronike, kot so MOSFET-i in IGBT-i, ter ojačevalnikov moči GaN-on-SiC RF in drugih mikrovalovnih naprav.

Coherentov postopek SOI omogoča boljši nadzor nad rastjo plasti SiC, s čimer se izboljšata izkoristek in zmogljivost naprave. Coherent ponuja celovite zmogljivosti za karakterizacijo, vključno z lasersko ablacijo, induktivno sklopljeno plazmo in optično emisijsko spektroskopijo (LA-ICP-OES) ter skenirno elektronsko mikroskopijo in energijsko disperzno spektroskopijo (SEM-EDS), ki sta uporabni orodji za prepoznavanje kritičnih napak in povečanje izkoristka.

Visokofrekvenčni ojačevalniki moči RF

S hitro širitvijo omrežij 5G po vsem svetu je povpraševanje po ojačevalnikih moči RF za krepitev prenosa brezžičnih podatkovnih signalov doživelo eksponentno rast. Podjetje Coherent na razširljivi tehnološki platformi zagotavlja plošče iz silicijevega karbida, ki lahko učinkovito delujejo v teh novih visokofrekvenčnih pasovih.

Substrati SiC tega podjetja pomagajo pri učinkovitejšem delovanju močnostne elektronike, saj zmanjšujejo proizvodnjo toplote in s tem zmanjšujejo velikost hladilnih sistemov - prihranijo stroške energije, hkrati pa zmanjšajo prostorske zahteve hladilnih sistemov.

Polprevodniki SiC lahko delujejo pri višjih frekvencah kot čisti silicijevi čipi, kar povečuje hitrost in doseg električnih avtomobilov. Poleg tega polprevodniki SiC proizvajajo manj odpadne toplote in so odporni na višje temperature, kar pomeni, da lahko poganjajo učinkovitejša vozila z boljšo porabo goriva.

Skupna naložba družbe Coherent z japonskima podjetjema Denso in Mitsubishi Electric ji bo omogočila povečanje proizvodnje 200 mm substratov iz silicijevega karbida in epitaksialnih rezin ter vzpostavitev dolgoročnih dogovorov o dobavi, ki bodo zadovoljili potrebe japonskih podjetij po 150 mm in 200 mm SiC. Poleg tega ta posel krepi položaj družbe Coherent na avtomobilskem trgu - že dobavlja materiale za izdelavo čipov, ki se uporabljajo v proizvodnji avtomobilskih delov in elektronike -, pri čemer bo vsak od njiju vložil $500 milijonov za 12,5% neobvladujočega lastniškega deleža v svoji novi poslovni enoti.

Avtomobilska elektronika

Napajalna elektronika iz koherentnega silicijevega karbida omogoča večjo energetsko učinkovitost in zanesljivost vozil, zmanjšuje emisije ogljikovega dioksida in pospešuje prehod na trajnostno družbo. Omogoča tehnologijo regenerativnega zaviranja, ki toplotno energijo pri zaviranju pretvarja v električno energijo, ki se lahko shrani v akumulatorju električnega vozila, ter nadzor in upravljanje večjih električnih obremenitev, kot so grelniki, ventilatorji in e-stroji.

Podjetje Coherent je napovedalo ustanovitev družbe Silicon Carbide LLC kot svoje nove hčerinske družbe za SiC, ki bo proizvajala GaN-on-SiC MOSFET-e ter druge RF in mikrovalovni naprave na visokokakovostnih polizolacijskih rezinah SiC s premerom do 200 mm. Po navedbah podjetja Coherent sta veliko vložila Denso Automotive - eden od glavnih dobaviteljev za avtomobilsko industrijo - in Mitsubishi Electric.

Naložbe družbe Coherent bodo omogočile načrte za širitev zmogljivosti in zagotovile zanesljivo in prilagodljivo oskrbo za izpolnjevanje naraščajočih tržnih potreb po napravah za močnostno elektroniko na osnovi SiC. Coherent pričakuje znatne prihranke pri stroških zaradi uporabe SiC, ki je bistveno cenejši od tradicionalnih polprevodniških materialov, kot so silicijevi čipi. Poleg tega SiC prenese višje temperature kot silicijevi čipi, kar proizvajalcem omogoča, da zmanjšajo hladilne sisteme in s tem zmanjšajo težo in prostorske zahteve izdelkov, kar je pomemben dejavnik, saj si avtomobilska podjetja prizadevajo zmanjšati stroške vozil in hkrati povečati sprejemanje električnih vozil s strani potrošnikov.

Shranjevanje energije

Čipi SiC zagotavljajo sistemom za shranjevanje energije večjo učinkovitost in gostoto moči, saj zmanjšujejo preklopne izgube, delujejo pri višjih temperaturah z manjšimi tokovnimi izgubami ter pomagajo zmanjšati velikost in stroške komponent, hkrati pa zmanjšujejo velikost in stroške komponent. Poleg tega ta tehnologija omogoča manjše hladilne sisteme, kar še dodatno zmanjša prostornino in težo sistema.

SiC je odličen material za zaznavanje magnetnega polja zaradi svoje naravne magnetne resonance, ki jo je mogoče izkoristiti za aplikacije, ki vključujejo zaznavanje polja. Poleg tega je njegov spinski koherenčni čas desetkrat daljši od običajnih polprevodnikov, kar omogoča hitre in natančne meritve, zato je SiC primeren za hitre, kompaktne magnetometre visoke ločljivosti z nizko porabo energije.

V študijah o okvarah v SiC-u so uporabljali elektronsko paramagnetno resonanco (EPR) in električno zaznano magnetno resonanco (EDMR), pri čemer so posebno pozornost namenili ogljikovim vakancam, prisotnim v slikah, ki so zrasle s CVD in imajo pri sobnih temperaturah dolg spin koherenčni čas9,10,35.

Khan poudarja pomen tesnega sodelovanja svoje podružnice Coherent z vodilnimi sistemskimi podjetji za čim boljše učenje. Khan meni, da je razumevanje dejavnikov odločanja strank in končnih uporabnikov, kot so na primer zahteve trga električnih vozil, na primer razmerje med začetnimi stroški nakupa in obratovalnimi stroški ter razmerje med dosegom in časom polnjenja, ključnega pomena.