Používání výkonových polovodičů z karbidu křemíku (SiC) ve všech oblastech, od elektrických vozidel přes fotovoltaiku až po průmyslové motory, se zrychluje, ale kde se tento materiál vzal? Co je na něm tak zvláštního? A proč trvalo tak dlouho, než se SiC prosadil v polovodičovém průmyslu, když byl poprvé použit jako základ rádiových detektorů již před více než sto lety?
Hvězdný prach na vašich botách
Zemská kůra se skládá asi z 28 % křemíku a 0,03 % uhlíku, takže byste si mohli myslet, že po dlouhé procházce v přírodě najdete dostatek karbidu křemíku (SiC) na výrobu několika polovodičových matric přilepených na podrážkách vašich bot. Pokud by procházka vedla přes kráter po dopadu meteoritu, možná byste našli pár smítek – jediný přirozeně se vyskytující SiC je ve formě moissonitu, úlomků ze supernovy nebo výtrysků z červených obřích hvězd bohatých na uhlík, které se zachytily ve vesmíru a skončily jako mikronové částice v meteoritech. Vskutku hvězdný prach.
Možná bychom si existence SiC nikdy nevšimli, ale v roce 1891 se americký vynálezce Edward G. Acheson pokoušel najít způsob, jak vyrobit umělé diamanty zahříváním jílu (křemičitanu hlinitého) a uhlíku. Všiml si lesklých šestihranných krystalů připojených k uhlíkovému obloukovému světlu používanému k zahřívání a nazval tuto sloučeninu karborundum v domnění, že se jedná o formu krystalizovaného oxidu hlinitého podobného korundu. Mohl si myslet, že se trefil do druhého nejlepšího, protože rubíny a safíry jsou druhy korundu, ale uvědomil si, že má něco nového, sloučeninu téměř stejně tvrdou jako diamant, kterou lze vyrábět ve formě třísek nebo prášku v průmyslovém měřítku s využitím jako brusivo.
SiC LED diody se objevily dříve než tranzistory
Na počátku 20. století experimentátoři zjišťovali, že krystaly různých látek, jako je germanium, mohou dát „nesymetrický průchod proudu“ neboli usměrnění, jak ho známe, což našlo využití v „krystalových“ rádiích. Když se zkoušel karbid křemíku, objevil se zvláštní jev: krystal zářil žlutě, někdy zeleně, oranžově nebo dokonce modře. Čtyřicet let před tranzistorem byla objevena první LED dioda.
Jako LED dioda byl SiC brzy vytlačen arsenidem galia a nitridem galia s 10-100krát lepším vyzařováním, ale jako materiál SiC stále vyvolával zájem ve světě elektroniky; má 3,5krát lepší tepelnou vodivost než křemík a může být silně dopován pro vysokou vodivost při zachování vysokého průrazu elektrického pole. Mechanicky je velmi tvrdý, inertní a má velmi nízký koeficient tepelné roztažnosti a vysokou teplotní odolnost. SiC dokonce ani netaví – sublimuje při teplotě přibližně 2700⁰C.
SiC je dobrý
SiC byl jako vhodný kandidát pro polovodičové zařízení znám již velmi brzy, co jej tedy brzdilo a nechalo křemík, aby se stal standardem? Hlavním problémem byla eliminace defektů v krystalech SiC, jejichž seznam je dlouhý: hranové dislokace, šroubové dislokace různých typů, trojúhelníkové defekty a dislokace v bazální rovině. Důsledkem ne zcela dokonalého krystalu byla velmi špatná zpětná blokáda, takže součástky byly v podstatě elektricky nepoužitelné. Problémy byly také s propojením SiC s oxidem křemičitým (SiO2) při výrobě oblíbených typů zařízení MOSFET a IGBT. Neustálý vývoj však zlepšil kvalitu tak, že 6palcové destičky mohou poskytovat přijatelnou výtěžnost, a průlom zvaný nitridace neboli žíhání v oxidu dusičitém nebo oxidu dusíku umožňuje spolehlivě pěstovat na SiC vrstvy SiO2.
Od kamenů ve vesmíru ke kamenům na vašem prstu
SiC se vyvinul od brusiva na brusném kotouči přes zářící elektrickou kuriozitu až po polovodičovou technologii umožňující elektromobily s delším dojezdem a měniče v solární energii šetřící planetu. A mimochodem, Achesonův sen se stal skutečností – drahokamy z SiC nebo moissanitu jsou jen stěží rozeznatelné od čistých diamantů.
Více o tom, jak SiC kaskády vynikají v praktických aplikacích, se dozvíte na stránkách unitedsic.com/downloads.
Od Anupa Bhalla, viceprezidenta pro inženýrství ve společnosti UnitedSiC (www.unitedsic.com)