A szilícium-karbid (SiC) teljesítmény félvezetők alkalmazása az elektromos járművektől kezdve a napelemes PV-n át az ipari motorokig egyre gyorsul, de honnan származik az anyag? Mi a különleges benne? És miért tartott ilyen sokáig a SiC térnyerése a félvezetőiparban, amikor több mint egy évszázaddal ezelőtt először rádiódetektorok alapanyagaként használták?
Sztárpor a csizmán
A földkéreg körülbelül 28% szilíciumot és 0,03% szenet tartalmaz, így azt gondolhatnánk, hogy egy hosszú vidéki séta után elegendő szilíciumkarbidot (SiC) találunk ahhoz, hogy a csizmánk talpára ragadjon néhány félvezető kocka. Ha a séta egy meteorbecsapódás kráterén keresztül vezetne, talán találnánk néhány darabot – az egyetlen természetesen előforduló SiC Moissonit formájában fordul elő, amely egy szupernóva törmeléke vagy a szénben gazdag vörös óriáscsillagok kilövellése, amelyet az űrben felszednek, és mikroméretű részecskék formájában a meteoritokban kötnek ki. Valóban csillagpor.
A SiC létezését talán észre sem vettük volna, de 1891-ben Edward G Acheson amerikai feltaláló megpróbálta megtalálni a mesterséges gyémánt előállításának módját, agyag (alumínium-szilikát) és szén hevítésével. Észrevette, hogy a fűtéshez használt szén ívfényhez fényes hatszögletű kristályok kapcsolódnak, és a vegyületet karborundumnak nevezte el, azt gondolva, hogy az a korundhoz hasonló kristályosodott timföld egy formája. Azt gondolhatta volna, hogy a második legjobbat találta el, mivel a rubin és a zafír a korund fajtái, de rájött, hogy valami újdonsággal van dolga, egy olyan vegyülettel, amely majdnem olyan kemény, mint a gyémánt, és amelyet ipari méretekben forgács vagy por formájában lehet előállítani, és csiszolóanyagként alkalmazni.
A SiC LED-ek még a tranzisztorok előtt jöttek
A 20. század elején a kísérletezők azt találták, hogy különböző anyagok kristályai, mint például a germánium, képesek “nem szimmetrikus áramátvitelt” vagy egyenirányítást biztosítani, ahogyan azt ma ismerjük, ami a “kristályos” rádiókban talált felhasználásra. Amikor szilícium-karbiddal próbálkoztak, furcsa jelenség lépett fel: a kristály sárgán, néha zöldesen, narancssárgán vagy akár kéken izzott. Az első LED-et felfedezték, negyven évvel a tranzisztor előtt.
LED-ként a SiC-t hamarosan felváltotta a 10-100-szor jobb kibocsátású gallium-arzenid és gallium-nitrid, de anyagként a SiC továbbra is érdeklődést keltett az elektronika világában; hővezető képessége 3,5-szer jobb, mint a szilíciumé, és erősen adalékolható a nagy vezetőképesség érdekében, miközben az elektromos mező megmarad nagymértékű áttörésben. Mechanikai szempontból nagyon kemény, inert és nagyon alacsony hőtágulási együtthatóval és magas hőmérsékleti értékkel rendelkezik. A SiC nem is olvad – körülbelül 2700⁰C-on szublimál.
SiC jót tesz
A SiC már nagyon korán ismert volt, mint jó félvezető eszközjelölt, mi tartotta vissza, és hagyta, hogy a szilícium legyen a szabvány? A fő probléma a SiC kristályok hibáinak kiküszöbölése volt, a lista hosszú: peremeltolódások, különböző típusú csavareltolódások, háromszöghibák és bazális síkeltolódások. A nem tökéletes kristály hatása nagyon rossz fordított blokkolási teljesítmény volt, ami az alkatrészeket lényegében elektromosan használhatatlanná tette. Problémák merültek fel a SiC és a szilícium-dioxid (SiO2) összekapcsolásával is a népszerű MOSFET és IGBT eszköztípusok gyártása érdekében. A folyamatos fejlesztés azonban javította a minőséget, így a 6 hüvelykes ostyák már elfogadható hozamot adnak, és a nitridálásnak vagy nitrogén-dioxidban vagy nitrogén-oxidban történő lágyításnak nevezett áttörés lehetővé teszi a SiO2 filmek megbízható növesztését a SiC-re.
A szikláktól az űrben a sziklákig az ujjunkon
A SiC a csiszolókorongon lévő csiszolóanyagtól az izzó elektromos kíváncsiságon át a nagyobb hatótávolságú elektromos járművek és a bolygókímélő napenergia invertereit lehetővé tevő félvezető technológiáig fejlődött. Ja, és mellesleg Acheson álma már-már megvalósult – a SiC vagy a Moissanite drágakövek alig különböztethetők meg a tiszta gyémánttól.
Tudjon meg többet arról, hogyan teljesítenek a SiC kaszkódok a gyakorlati alkalmazásokban az unitedsicnél.com/downloads.
By Anup Bhalla, VP Engineering at UnitedSiC (www.unitedsic.com)