Den stigende anvendelse af siliciumcarbid (SiC) halvledere i alt fra elbiler til solcelleanlæg og industrimotorer tager fart, men hvor kommer materialet fra? Hvad er så specielt ved det? Og hvorfor har det taget så lang tid for SiC at vinde indpas i halvlederindustrien, når det først blev brugt som grundlag for radiodetektorer for over hundrede år siden?
Stjernestøv på dine støvler
Jordskorpen består af ca. 28 % silicium og 0,03 % kulstof, så man skulle måske tro, at man ville finde nok siliciumcarbid (SiC) til at lave et par halvlederstøvler, der sidder fast på dine støvlesåler efter en lang gåtur i naturen. Hvis gåturen gik over et meteoreffekts-krater, ville du måske finde et par stumper – det eneste naturligt forekommende SiC er i form af moissonit, affald fra en supernova eller ejecta fra kulstofrige, røde kæmpestjerner, der samles op i rummet og ender som mikrometerstore partikler i meteoritter. Stjernestøv i sandhed.
Vi har måske aldrig bemærket SiC’s eksistens, men i 1891 forsøgte den amerikanske opfinder Edward G. Acheson at finde en måde at fremstille kunstige diamanter på ved at opvarme ler (aluminiumsilikat) og kulstof. Han bemærkede skinnende sekskantede krystaller, der var fastgjort til den lysbue af kulstof, der blev brugt til opvarmning, og kaldte forbindelsen for carborundum, idet han troede, at det var en form for krystalliseret aluminiumoxid som korund. Han troede måske, at han havde ramt det næstbedste, da rubiner og safirer er typer af korund, men han indså, at han havde noget nyt, nemlig en forbindelse næsten lige så hård som diamant, som kunne fremstilles som spåner eller pulver i industriel målestok med anvendelse som slibemiddel.
SiC LED’er kom før transistorer
Tidligt i det 20. århundrede fandt eksperimentatorer ud af, at krystaller af forskellige stoffer som germanium kunne give “usymmetrisk strømgennemgang” eller ensretning, som vi kender det, hvilket blev brugt i “krystal”-radioer. Da man forsøgte sig med siliciumcarbid, opstod der et mærkeligt fænomen: krystallen glødede gult, undertiden grønt, orange eller endog blåt. Den første LED var blevet opdaget, 40 år før transistoren.
SiC blev som LED snart afløst af galliumarsenid og galliumnitrid med 10-100 gange bedre emission, men som materiale vakte SiC stadig interesse i elektronikverdenen; det har en termisk ledningsevne, der er 3,5 gange bedre end silicium, og kan doteres kraftigt for at opnå høj ledningsevne, samtidig med at det stadig har et højt elektrisk feltgennemslag. Mekanisk set er det meget hårdt, inert og har en meget lav varmeudvidelseskoefficient og en høj temperatur. SiC smelter ikke engang – det sublimerer ved ca. 2700⁰C.
SiC gør godt
SiC var kendt som en god kandidat til en halvlederanordning meget tidligt, så hvad holdt det tilbage og lod silicium blive standarden? Hovedproblemet var eliminering af defekter i SiC-krystallerne, listen er lang: kantforskydninger, skrueforskydninger af forskellige typer, trekantede defekter og forskydninger i basalplanet. Virkningen af de mindre end perfekte krystaller var en meget dårlig omvendt blokeringsevne, hvilket gjorde delene stort set elektrisk ubrugelige. Der var også problemer med at forbinde SiC med siliciumdioxid (SiO2) for at fremstille de populære MOSFET- og IGBT-enhedstyper. Den fortsatte udvikling har imidlertid forbedret kvaliteten, således at 6-tommers wafers kan give et acceptabelt udbytte, og et gennembrud kaldet nitridering eller udglødning i nitrogendioxid eller nitrogenoxid gør det muligt at dyrke SiO2-film på SiC på en pålidelig måde.
Fra sten i rummet til sten på din finger
SiC har udviklet sig fra et slibemiddel på din slibeskive over en glødende elektrisk nysgerrighed til den halvlederteknologi, der muliggør elbiler med længere rækkevidde og invertere i planetbesparende solenergi. Og i øvrigt var Achesons drøm så godt som realiseret – SiC- eller Moissanite-ædelsten kan næsten ikke skelnes fra rene diamanter.
Læs mere om, hvordan SiC-kaskoder klarer sig bedre i praktiske anvendelser på unitedsic.com/downloads.
Af Anup Bhalla, VP Engineering hos UnitedSiC (www.unitedsic.com)