Kiselkarbid och dess breda bandgap

Kiselkarbid är ett extremt tillförlitligt halvledarmaterial med stort bandgap. Detta gör att komponenter tillverkade av detta material kan fungera vid högre spänningar, frekvenser och temperaturer än konventionella kiselkomponenter.

Enskikts-SiC kan bli den avgörande faktorn för revolutionerande framsteg inom högtemperaturelektronik och kraftkomponenter. Det erbjuder oöverträffade optiska, mekaniska, kemiska och magnetiska egenskaper som ger enastående funktionalitet i högtemperaturkomponenter.

Större bandgap

Bandgapet hos halvledare avser avståndet mellan deras valensband och ledningsband; detta energigap motsvarar den minsta mängd energi som en foton behöver för att exciterar elektroner från ett band till nästa, vilket ger upphov till elektriska strömmar och därmed möjliggör en effektiv drift. Bandgap spelar en central roll i deras funktion; skillnaderna mellan olika halvledare varierar dock beroende på deras materialsammansättning.

Kisel, ett av de vanligaste halvledarmaterialen, har vanligtvis ett bandgap mellan 0,6 eV och 1,5 eV, vilket innebär att kiselbaserade komponenter kräver relativt höga spänningar för att fungera. Tyvärr kan termisk aktivering hindra komponenterna från att fungera som de ska. Halvledare med stort bandgap (WBG) erbjuder bättre skydd mot termisk aktivering genom att de arbetar vid högre spänningar och frekvenser.

WBG-halvledarteknologier har snabbt vunnit mark inom kraftelektroniktillämpningar som kräver högre verkningsgrad och snabbare omkoppling, till exempel sådana som används under extrema spänningar, temperaturer eller i strålningsutsatta miljöer. Dessa tekniker kan inte bara användas under dessa extrema förhållanden, utan de kan också avsevärt förbättra prestandan genom att minska ledningsförlusterna och omkopplingsförlusterna – vilket leder till ytterligare effektivitetsvinster och snabbare omkopplingstider.

Kiselkarbid utmärker sig som en av de mest lovande WBG-halvledarna tack vare sina unika fysikaliska och elektroniska egenskaper. Genom att kombinera kisel och kol i en alternerande hexagonal struktur med starka kovalenta bindningar, liknande dem som finns i diamanter, har kiselkarbid ett extremt stort bandgap med ett lavinfält som är tre gånger större än hos motsvarande kiselmaterial.

WBG-halvledare utmärker sig som ledande aktörer när det gäller kollisionsjonisering – den process där exciterade elektroner kolliderar med gitteratomer och alstrar fotoner som ger upphov till kortvågigt ljus för lysdioder och lasrar – tack vare sin överlägsna motståndskraft mot höga spänningar och frekvenser vid kollisionsjonisering jämfört med motsvarande kiselbaserade halvledare. WBG har visat sig vara betydligt bättre på att tåla sådana stötsjoniseringsprocesser jämfört med sina motsvarigheter av kisel.

Halvledare av galliumnitrid och kiselkarbid med breda bandgap (WBG) har bandgap som är tre gånger större än kisel, vilket gör dem idealiska för tillämpningar inom kraftelektronik. Deras band kan förekomma i olika delar av Brillouin-zonen men har liknande elektronstrukturer; spektroskopi med mjuk röntgenabsorption och -emission (SXA) har visat detta fenomen och visat att deras lokala partiella tillståndstäthet (LPDOS) var nästan identisk mellan kubiskt 3C-SiC, hexagonalt 4H-SiC och romboedriskt 6H-SiC.

Högre spänningar

Tack vare kiselkarbidens bredare bandgap kan effekt halvledare arbeta vid högre spänningar och temperaturer, vilket gör dem lämpliga för kraftomvandlingskomponenter som dioder och MOSFET:er. Kiselkarbid skulle kunna minska behovet av komplexa aktiva kylsystem som idag används för att skydda kretsar mot höga temperaturer; sådana system ökar fordonens vikt, kostnad och komplexitet. Dessutom skulle dess högre driftstemperatur kunna bidra till att eliminera behovet av batterier med stor kapacitet, vilka är kostsamma att tillverka och samtidigt tar upp värdefullt utrymme i fordonens chassi.

Kiselkarbids genombrottsfält är en av de viktigaste faktorerna bakom dess förmåga att klara högre spänningar än traditionella halvledare, eftersom det förser elektronerna med tillräcklig energi för att bryta igenom barriärerna mellan valens- och ledningsbanden. Kiselkarbid har ett genombrottsfält som är tio gånger större än kisel, medan galliumnitrid klarar ännu högre spänningar tack vare ett genombrottsfält på 3,3 MV/cm – vilket ytterligare utökar dess mångsidighet som elektrisk ledare.

Kiselkarbid skiljer sig från andra halvledare med “stort bandgap” genom att den har flera egenskaper som gör den lämplig för tillämpningar inom kraftelektronik, däribland sitt stora bandgap, sin temperaturtålighet och sin strålningsbeständighet. Som en av de mer utvecklade halvledarna med “brett bandgap” när det gäller kristallodlingsprocesser, tillverkningsprocesser för komponenter samt högtemperaturtillämpningar såsom effekttransistorer, likriktare, övervakning av förbränningen i turbinmotorer och flamdetektorer, är kiselkarbid verkligen ett av materialen med “brett bandgap”.

Tack vare sitt breda bandgap kan kiselkarbid användas i en rad olika tillämpningar inom kraftomvandling, däribland DC-till-DC-omvandlare och inbyggda laddare för elfordon. Eftersom kiselkarbid fungerar väl vid höga temperaturer och samtidigt har utmärkta spänningsblockeringsegenskaper är det ett utmärkt materialval för att förbättra energieffektiviteten genom att minska de energiförluster som orsakas av konventionella kiselkomponenter.

Att integrera kiselkarbid kräver särskild kompetens för att säkerställa att användningen anpassas efter ett kraftomvandlingssystem och uppfyller specifikationerna vad gäller storlek och konstruktion. Aptivs expertis som systemintegratör gör att företaget är väl rustat att hjälpa tillverkare att välja bland en rad prestandaspecifikationer och materialvarianter som passar just deras unika tillämpningar.

Högre frekvens

Kiselkarbid har på senare tid väckt stor uppmärksamhet inom halvledarindustrin tack vare sitt breda bandgap. Kiselkarbid består av kisel (atomnummer 14) och kol med starka kovalenta bindningar som bildar starka och stabila strukturer. Det har en oöverträffad elektrisk fältstyrka och värmeledningsförmåga som skiljer sig från den hos kiselkomponenter, vilket gör det till ett attraktivt alternativ för kraftelektronikkomponenter som används i tuffa miljöer, inklusive höga temperaturer eller strålningsexponering.

SiC:s breda bandgap gör det dessutom möjligt att använda materialet vid högre frekvenser, vilket gör det till ett utmärkt val för kraftomvandlare som måste hantera varierande spänningar och strömstyrkor. Dessutom innebär denna energibesparande egenskap att SiC är mer energieffektivt än konventionella halvledare.

Kiselbaserade tekniker börjar nå sina gränser inom kraftelektroniken, vilket kräver nya material. Galliumnitrid och kiselkarbid har framträtt som potentiella ersättare, eftersom de erbjuder bättre tålighet vid högre frekvenser samtidigt som de möjliggör mer komplexa kretsar med ett bredare spektrum av tillämpningar.

Ett brett bandgap är en väsentlig del av halvledare, vilket gör att elektroner lätt kan flöda mellan valens- och ledningsbanden. Detta bandgap avgör om ett material fungerar som ledare eller isolator; ledare uppvisar ett överlappande bandgap, medan isolatorer kräver betydande mängder energi för att passera bandgapet. Halvledare har smalare bandgap än isolatorer och erbjuder därför högre ledningsförmåga än sina motsvarigheter utan att det krävs lika mycket energi för att passera bandgapet.

Nya studier har visat att spänning på hexagonala SiC-strukturer påverkar dess elektroniska egenskaper, särskilt bandgapet. Enligt de erhållna resultaten beror HOMO- och LUMO-nivåerna hos bulk-kiselkarbid på polytypen. Denna effekt är särskilt uttalad hos nanokristallint SiC, där polytypism uppstår på grund av olika kristallografiska orienteringar inom en och samma kristallstruktur. SiC-nanokristaller (NC) med en diameter på 1,5 nm uppvisar en blåförskjutning till följd av förändringar i deras LUMO-energi. Tabell 1 visar både experimentella EBD-värden (“Experiment”, rött) och teoretiska beräkningar (“Teori-GW”, blått). En ökad LUMO-energi hos större nanokristaller minskar bandgapet på samma sätt som hos bulk-kiselkarbid.

Högre temperatur

Material med bred bandgap (WBG) har högre temperatur- och spänningstolerans än kiselbaserade halvledare, vilket gör dem till det bästa valet för kraftelektroniktillämpningar som måste fungera under extrema förhållanden. Dessutom är WBG-halvledare strålningsbeständiga – perfekta för miljöer där elfordon används!

Galliumnitrid (GaN) och kiselkarbid (SiC) hör till de mest efterfrågade halvledarna med stort bandgap, tack vare att de tål högre driftstemperaturer än traditionella halvledare och kan användas i applikationer med högre spänning. Det som skiljer GaN och SiC från kisel är deras bandgap, som är ungefär tre gånger bredare; detta avgör hur snabbt elektroner rör sig mellan lednings- och valensbanden samt hur mycket ljus som kan absorberas av dessa material.

Kiselkarbid är ett sammansatt material med extremt hög värmeledningsförmåga. Eftersom det är ett av de hårdaste ämnena på jorden krävs diamantbestyckade blad för att skära i kiselkarbid. Kiselkarbid förekommer sällan i naturen, men kan framställas syntetiskt genom att kiseloxid reduceras med kol i en elektrisk ugn vid höga temperaturer. Kiselkarbid har många fördelar jämfört med traditionella kiselhalvledare, bland annat ett bredare driftstemperaturområde och strålningsbeständighet.

SiC är känt för att ha ett extremt brett fotoniskt bandgap, vilket gör det till ett lämpligt material för system för kvantinformationsbehandling. SiC:s breda fotoniska bandgap samlar effektivt emissionen från färgcentra till en enda optisk mod; för att fullt ut kunna dra nytta av denna egenskap är det nödvändigt att förstå hur dess bandgap förändras med temperaturen.

Ny forskning har visat att SiC:s absorptionskoefficienter ökar med temperaturen till följd av ett minskat indirekt bandgap och en ökande fonontäthet. Experimentella data bekräftade dessa resultat och visade att det rådde god överensstämmelse mellan de teoretiska och experimentella resultaten.

Författarna genomförde omfattande undersökningar av fotoniska bandgap hos fyra typer av kiselkarbider (4H-SiC och 6H-SiC) samt kubisk b-kiselkarbid (3C-SiC). Deras analyser visade att 3C-SiC hade ett oöverträffat fotoniskt bandgap för både TE-liknande och TM-liknande emissioner, eftersom dess TM-bandgap helt överlappar dess TE-bandgap.