Substrat av kiselkarbid

Kiselkarbid är ett innovativt material som har många fördelar jämfört med kisel, framför allt dess högre genombrottsspänning och lägre ledningsmotstånd, vilket möjliggör effektivare kraftelektroniksystem.

Tillverkningen av kiselkarbidunderlag kräver specialutrustning och är tidskrävande. Det första steget består i att framställa en stor kristall, en så kallad boule, som sedan skärs upp i skivor för vidare bearbetning.

Det är en bra värmeledare

Substrat av kiselkarbid (SiC) har blivit en viktig del av kraftelektroniken tack vare sina överlägsna egenskaper. Med högre verkningsgrad och bättre värmeledningsförmåga än kiselbaserade substrat är SiC-substrat väl lämpade för energikrävande tillämpningar som elfordon och system för förnybar energi som kräver höga spänningar.

SiC är ett halvledarmaterial med mycket hög densitet och ett brett bandgap, vilket gör att elektroner kan röra sig snabbt genom materialet och ger det en fördel jämfört med kisel, som har ett smalare bandgap. Dessutom underlättar detta bredare bandgap elektronöverföringen mellan skikten, vilket förbättrar komponentens totala prestanda.

Kiselkarbid har utmärkta elektriska och termiska egenskaper, förutom att det har mycket hög mekanisk hållfasthet. Detta gör det till ett utmärkt materialval för slitstarka material och skärverktyg; dessutom gör dess extremt höga temperaturtålighet det användbart som foder i industriugnar, och dess extrema hårdhet gör det lämpligt för tillverkning av komponenter till pumpar och raketmotorer som tål slitage.

Kiselkarbid är en extremt hård, syntetiskt framställd förening av kisel och kol. Även om det finns naturliga förekomster, såsom moissanit, framställs den största delen syntetiskt genom en Acheson-reaktion, där kvartssand och kol upphettas till höga temperaturer tills blandningen bildar en hexagonal kristallklump, som senare skärs upp till skivor för användning som substrat.

Kiselkarbid skiljer sig från kisel genom sitt lägre motstånd i på-läge och större bandgap, vilket gör det till ett utmärkt materialval för hög effektapplikationer. Detta gör det möjligt att minska komponenternas storlek samtidigt som prestandan förbättras; dessutom gör det låga motståndet i på-läge att materialet lämpar sig väl för solcellssystem och mikroelektroniska tillämpningar.

Substrat av kiselkarbid används i stor utsträckning som ett slitstarkt material, bland annat i keramiska kondensatorer och isolatorer. Dessutom gör deras hårdhet dem användbara i form av slipskivor och sandpapper med minskad slitstyrka. Dessutom är kiselkarbidunderlag ett viktigt material som används vid karborundumtryck – en intaglioteknik där karborundumkorn beläggs på aluminiumplåtar för att skapa tryckmärken – en alltmer populär konstform.

Det är en bra elektrisk ledare

Kiselkarbid är en utmärkt elektrisk ledare och kan användas i en mängd olika elektroniska tillämpningar. Den kännetecknas av låga läckströmmar och låga motstånd i ledande tillstånd – båda viktiga parametrar i högfrekventa tillämpningar. Dessutom har kiselkarbid tre gånger högre värmeledningsförmåga än kisel och är dessutom motståndskraftig mot strålningsskador.

Kiseldkarbidens höga spänningshållfasthet gör det till ett utmärkt material för höghastighetsomkopplare som används i elmotordrivsystem och kraftelektroniksystem. Dessa komponenter tål extrema temperaturer och spänningar utan att prestandan påverkas, och de är dessutom mindre och lättare än motsvarande komponenter tillverkade av kisel. Dessutom kopplar kiselkarbidkomponenter tio gånger snabbare, vilket ökar effektiviteten samtidigt som det gör det möjligt för konstruktörerna att minska systemens storlek.

Kiselkarbids unika atomstruktur bidrar till dess halvledaregenskaper. Det kristalliseras i tättpackade strukturer som kännetecknas av kovalent bundna atomer, ordnade i två primära koordinationstetraeder där fyra kolatomer och fyra kiselatomer är bundna vid hörnen och bildar kovalenta bindningar mellan kol- och kiselatomerna; dessa tetraeder kan sedan kopplas samman via sina hörn för att bilda polytypstrukturer: 3C-SiC är dess kubiska enhetscellpolytyp, medan 6H-SiC eller 15R-SiC är andra exempel på halvledarmaterial som förekommer inom halvledarmaterial.

SiC är i sin rena form vanligtvis ett isolerande material, men kan uppvisa halvledande egenskaper när det dopas med orenheter genom dopning, en process på atomnivå som äger rum efter att orenheter har tillförts. SiC klassificeras som ett halvledarmaterial med ett bandgap på 1,5 eV och en intrinsisk elektronaffinitet på cirka 0,1 mJ/cm, vilket gör det till ett av de halvledarmaterial som har lägst bandgap.

Kiselkarbid är, till skillnad från kisel, ett icke-metalliskt material som är olösligt i både vatten och alkohol. Tack vare sin hårdhet, hållbarhet, korrosionsbeständighet, höga smältpunkt och hårdhet är kiselkarbid mycket mångsidigt i industrimaskiner såsom pump- och ventillager, samt för användning vid finslipning, slipning, vattenstråleskärning och ädelstensbearbetning. Tack vare dessa egenskaper har det också blivit mycket populärt som ett ekonomiskt material inom ädelstensbearbetning.

Kiseldkarbidens egenskaper gör det till ett idealiskt material för snabbladdningssystem för elfordon (EV). Enligt en undersökning från Goldman Sachs skulle användningen av SiC i växelriktarsystem kunna öka elbilarnas räckvidd med 30% och sänka kostnaderna för batterilagring med 20% jämfört med att enbart använda litiumbatterier. Dessutom förutspår Goldman Sachs att det skulle kunna bidra till att förenkla elbilarnas konstruktion, vilket gör dem lättare och mer energieffektiva.

Det är en bra ljudledare

Kiselkarbidunderlag är ett icke-oxidbaserat halvledarmaterial med många önskvärda egenskaper. Det leder både värme och elektricitet effektivt och har utmärkt hållbarhet samt god korrosionsbeständighet, vilket gör det lämpligt för många olika tillämpningar. Tack vare sin hållbarhet och mångsidighet är kiselkarbidunderlag ett utmärkt material för många olika ändamål.

Kiselkarbid är en effektiv ljudledare, vilket gör det perfekt för tillämpningar inom flyg- och rymdindustrin. Tyvärr innebär dess sprödhet och höga hårdhet dock att bearbetningen blir mer krävande; för att övervinna dessa svårigheter utvecklar företagen nya bearbetningsmetoder som möjliggör en kostnadseffektiv produktion av kiselkarbid.

En sådan metod är plasmaassisterad etsning, där man använder högenergiplasma för att avlägsna föroreningar från ytorna på substrat av kiselkarbid. Denna teknik har potential att förbättra halvledarkomponenternas prestanda samtidigt som den är miljövänlig; dessutom kan processen öka kiselkarbidens kritiska genombrottshållfasthet och driftstemperatur, vilket gör att den bättre kan konkurrera med kiselbaserade halvledare.

Ett annat sätt att förbättra kiselkarbids prestanda är genom epitaxial tillväxt. Denna teknik bygger på att kiselkarbid består av olika atomlager med varsina elektriska egenskaper; denna process kommer inte bara att förbättra komponenternas prestanda utan kan även sänka kostnaderna genom att man slipper använda dyra safir- eller skivunderlag i tillverkningsprocessen.

Substrat av kiselkarbid används ofta i transportsystem för elfordon tack vare sin förmåga att tåla högre temperaturer och spänningar än kiselbaserade komponenter, och eftersom de är lätta och har hög energitäthet är de idealiska för drivsystem i elfordon. Dessutom gör kiselkarbidens minskade risk för strålningsskador det till ett idealiskt material för eVTOL, samtidigt som det har överlägsna mekaniska egenskaper jämfört med sin konkurrent, borkarbid.

MOSFET-transistorer av kiselkarbid erbjuder både överlägsen energieffektivitet och lägre värmeutvidgningskoefficient, vilket gör dem perfekta för att rymma fler transistorer på ett enda chip. Tack vare denna egenskap är MOSFET-transistorer av kiselkarbid ett idealiskt val för mobiltelefoner och bärbara datorer, eftersom de är mer kompakta och har lägre kopplingsförluster än kiselbaserade MOSFET-transistorer.

Det leder ljuset väl

Kiselkarbid (SiC) är ett extremt hårt material med många användningsområden. Tack vare sin atomstruktur är SiC en utmärkt ledare av elektricitet och ljus och har dessutom hög korrosionsbeständighet och tål höga temperaturer. Därför är det ett utmärkt val för eldfasta foder i industriugnar samt för skärverktyg. Sedan slutet av 1800-talet har det använts i sandpapper, slipskivor och skärverktyg – i tuffa miljöer är det ett utmärkt materialval för pumpkullager, komponenter i pumphus samt extruderingsmunstycken och injektorer!

Kiselkarbidens unika atomstruktur gör det möjligt att dopa materialet med olika orenheter, vilket ger upphov till antingen p-typ- eller n-typ-halvledare beroende på vilken dopant som tillförs. Aluminium ger p-typ-halvledare medan gallium ger n-typ-halvledare; dessutom kan materialet även dopas med kväve och fosfor för att uppnå supraledning – egenskaper som gör kiselkarbid till ett idealiskt material för tillämpningar inom kraftelektronik.

Halvledare av kiselkarbid har utmärkt elektrisk ledningsförmåga och låga tillverkningskostnader jämfört med andra typer av halvledare, vilket gör kiselkarbid till ett ekonomiskt alternativ för elektroniska komponenter med hög effekt, såsom tyristorer, effektdioder och transistorer. Dessutom möjliggör deras breda bandgap en enklare tillverkning vid lägre temperaturer, vilket gör dem perfekta för användning vid höga temperaturer, till exempel för att tåla höga temperaturer i elektronisk utrustning, såsom högfrekvenselektronik, tyristorer, effektdioder och transistorer.

En av de främsta användningsområdena för kiselkarbid är som substrat för lysdioder (LED). Tack vare sin höga brottseghet och motståndskraft mot slitage och korrosion är kiselkarbid ett utmärkt val för hög effektapplikationer såsom lysdioder och UV-fotodetektorer, medan dess låga framspänningsfall och snabba återhämtning gör att det fungerar även vid höga temperaturer.

Schottky-dioder av kiselkarbid kan användas som antireflexskikt i ljuskällor, lasrar och tyristorer. Dessutom är de lämpliga för tillämpningar som kräver hög genombrottsspänning, eftersom de är billigare än kiselbaserade halvledare och ger snabbare kretsprestanda än sina kiselbaserade motsvarigheter.

Moissanit förekommer naturligt i meteoriter och korundfyndigheter; dock är praktiskt taget all kiselkarbid som säljs idag syntetisk. Denna förening, som består av kisel- och kolatomer och har en extremt hög hårdhet på 9 enligt Mohs-skalan, kan tillverkas i form av sex-tums-skivor för kommersiell försäljning.