Piikarbidin (SiC) tehopuolijohteiden käyttöönotto sähköajoneuvoista aurinkosähköön ja teollisuusmoottoreihin on kiihtymässä, mutta mistä materiaali on peräisin? Mikä siinä on niin erityistä? Ja miksi SiC:n yleistyminen puolijohdeteollisuudessa on kestänyt niin kauan, kun sitä käytettiin ensimmäisen kerran radioilmaisimien pohjana yli sata vuotta sitten?
Tähtipölyä saappaissasi
Maankuori koostuu noin 28 %:sti piistä ja 0,03 %:sti hiilestä, joten voisit luulla löytäväsi tarpeeksi piikarbidia (SiC), jotta voisit valmistaa muutaman puolijohdeaihion saappaidesi jalkapohjiin kiinnittyneenä pitkän kävelymatkan jälkeen maastossa. Ainoa luonnossa esiintyvä piikarbidi on moissoniittina, joka on supernovan jäännöksenä tai punaisten jättiläistähtien hiilipitoisten tähtien ulostulona, joka on noussut avaruuteen ja päätynyt mikronin kokoisina hiukkasina meteoriitteihin. Todellakin tähtipölyä.
Emme ehkä ole koskaan huomanneet SiC:n olemassaoloa, mutta vuonna 1891 yhdysvaltalainen keksijä Edward G Acheson yritti löytää keinon valmistaa keinotekoisia timantteja kuumentamalla savea (alumiinisilikaattia) ja hiiltä. Hän huomasi kiiltäviä kuusikulmaisia kiteitä kiinnittyneen kuumentamiseen käytettyyn hiilikaarivaloon ja kutsui yhdistettä karborundiksi ajatellen, että se oli eräänlainen kiteytynyt alumiinioksidi, kuten korundi. Hän saattoi luulla osuneensa toiseksi parhaaseen, sillä rubiinit ja safiirit ovat korundin lajeja, mutta hän tajusi, että hänellä oli jotain uutta, lähes yhtä kova yhdiste kuin timantti, jota voitaisiin valmistaa lastuina tai jauheena teollisessa mittakaavassa ja käyttää hioma-aineena.
SiC-LEDit tulivat ennen transistoreja
20. vuosisadan alkupuolella kokeilijat havaitsivat, että erilaisten aineiden, kuten germaniumin, kiteet pystyivät tuottamaan ”epäsymmetristä virran kulkua” tai tasasuuntausta, kuten me sen tunnemme, ja tätä käytettiin ”kideradioissa”. Kun piikarbidia kokeiltiin, ilmeni outo ilmiö: kide hehkui keltaisena, joskus vihreänä, oranssina tai jopa sinisenä. Ensimmäinen LED oli löydetty, neljäkymmentä vuotta ennen transistoria.
Ledinä SiC:n syrjäyttivät pian galliumarsenidi ja galliumnitridi, joilla oli 10-100 kertaa parempi emissio, mutta materiaalina SiC herätti edelleen kiinnostusta elektroniikkamaailmassa; sen lämmönjohtavuus on 3,5 kertaa parempi kuin piin, ja se voidaan seostaa voimakkaasti, jotta sen johtavuus olisi korkea, mutta sähkökentän hajoaminen pysyisi silti korkeana. Mekaanisesti se on erittäin kova, inertti ja sillä on erittäin alhainen lämpölaajenemiskerroin ja korkea lämpötilaluokitus. SiC ei edes sula – se sublimoituu noin 2700⁰C:ssa.
SiC tekee hyvää
SiC tunnettiin hyvänä ehdokkaana puolijohdekomponentiksi jo hyvin varhain, joten mikä sitä pidätteli ja antoi piin tulla standardiksi? Suurin ongelma oli SiC-kiteissä olevien vikojen eliminointi, lista on pitkä: reunadilokaatioita, erityyppisiä ruuvidilokaatioita, kolmiovikoja ja perustason dislokaatioita. Epätäydellisen kiteen vaikutus oli erittäin huono käänteissulkuominaisuus, mikä teki osista käytännössä sähköisesti käyttökelvottomia. Ongelmia oli myös SiC:n ja piidioksidin (SiO2) liittämisessä toisiinsa suosittujen MOSFET- ja IGBT-laitetyyppien valmistamiseksi. Jatkuva kehitys on kuitenkin parantanut laatua niin, että 6 tuuman kiekoilla saadaan hyväksyttävä saanto, ja läpimurto nimeltä nitridointi eli hehkutus typpidioksidissa tai typpioksidissa mahdollistaa SiO2-kalvojen luotettavan kasvattamisen SiC:n päälle.
Avaruuden kivistä sormeen
SiC on kehittynyt hiomapyörän hionta-aineesta hehkuvan sähköisen uteliaisuuden kautta puolijohdetekniikkaan, jonka avulla voidaan käyttää pidemmän toimintasäteen sähköajoneuvoja ja planeetan säästävän aurinkoenergian inverttereitä. Niin, ja muuten, Achesonin unelma oli yhtä hyvin kuin toteutunut – SiC- tai Moissanite-jalokivet ovat tuskin erotettavissa puhtaista timanteista.
Learn more about how SiC Cascodes Outperform in Practical Applications at unitedsic.com/downloads.
Anup Bhalla, UnitedSiC:n VP Engineering (www.unitedsic.com)