De toepassing van vermogenshalfgeleiders van siliciumcarbide (SiC) in alles van elektrische voertuigen tot fotovoltaïsche zonne-energie en industriële motoren neemt toe, maar waar komt het materiaal vandaan? Wat is er zo speciaal aan? En waarom heeft het zo lang geduurd voordat SiC ingang vond in de halfgeleiderindustrie, terwijl het meer dan een eeuw geleden voor het eerst werd gebruikt als basis voor radiodetectoren?
Stardstof op je laarzen
De aardkorst bestaat voor ongeveer 28% uit silicium en voor 0,03% uit koolstof, dus je zou denken dat je na een lange wandeling in de natuur genoeg Siliciumcarbide (SiC) zou vinden om een paar halfgeleiderdobbelstenen te maken die aan de zolen van je laarzen kleven. Als de wandeling over een meteoorinslagkrater gaat, vind je misschien een paar spikkeltjes – het enige in de natuur voorkomende SiC is in de vorm van Moissoniet, brokstukken van een supernova of ejecta van koolstofrijke, rode reuzensterren die in de ruimte worden opgepikt en als deeltjes van micron-grootte in meteorieten terechtkomen. Inderdaad sterrenstof.
Wij hebben het bestaan van SiC misschien nooit opgemerkt, maar in 1891 probeerde de Amerikaanse uitvinder Edward G Acheson een manier te vinden om kunstmatige diamanten te produceren, door klei (aluminiumsilicaat) en koolstof te verhitten. Hij merkte glanzende zeshoekige kristallen op die vastzaten aan het koolstoflicht dat hij gebruikte voor verhitting en noemde de verbinding carborundum, in de veronderstelling dat het een vorm van gekristalliseerd aluminiumoxide was, zoals korund. Hij dacht misschien dat hij de tweede beste had gevonden, omdat robijnen en saffieren soorten korund zijn, maar hij realiseerde zich dat hij iets nieuws had, een verbinding die bijna zo hard is als diamant en die op industriële schaal kan worden gemaakt in de vorm van spaanders of poeder met toepassing als schuurmiddel.
SiC LED’s kwamen vóór transistors
Vroeg in de 20e eeuw ontdekten experimenteerders dat kristallen van verschillende stoffen zoals germanium een ‘onsymmetrische stroomdoorgang’ of gelijkrichting konden geven zoals wij dat zouden kennen, wat zijn toepassing vond in ‘kristal’-radio’s. Toen siliciumcarbide werd uitgeprobeerd, deed zich een vreemd verschijnsel voor: het kristal gloeide geel, soms groen, oranje of zelfs blauw. De eerste LED was ontdekt, veertig jaar voor de transistor.
Als LED werd SiC al snel voorbijgestreefd door galliumarsenide en galliumnitride met een 10-100 maal betere emissie, maar als materiaal wekte SiC nog steeds belangstelling in de elektronicawereld; het heeft een 3,5 maal beter warmtegeleidingsvermogen dan silicium en kan zwaar gedoteerd worden voor een hoog geleidingsvermogen, terwijl het toch een hoge elektrische veldstoring behoudt. Mechanisch gezien is het zeer hard, inert en heeft het een zeer lage thermische uitzettingscoëfficiënt en een hoge temperatuur. SiC smelt zelfs niet – het sublimeert bij ongeveer 2700⁰C.
SiC maakt goed
SiC stond al heel vroeg bekend als een goede kandidaat voor een halfgeleiderapparaat, dus wat hield het tegen en liet silicium de standaard worden? Het voornaamste probleem was het wegwerken van defecten in de SiC-kristallen, de lijst is lang: randdislocaties, verschillende soorten schroefdislocaties, driehoeksdefecten en basaalvlakdislocaties. Het effect van het minder-dan-perfecte kristal was een zeer slecht omgekeerd blokkeringsvermogen, waardoor de onderdelen in wezen elektrisch onbruikbaar werden. Er waren ook problemen met de verbinding tussen SiC en siliciumdioxide (SiO2) om de populaire MOSFET- en IGBT-types te vervaardigen. Voortdurende ontwikkeling heeft de kwaliteit echter zodanig verbeterd dat 6-inch wafers een aanvaardbaar rendement opleveren en een doorbraak genaamd nitrering of gloeien in stikstofdioxide of stikstofoxide maakt het mogelijk SiO2-films op betrouwbare wijze op SiC te laten groeien.
Van stenen in de ruimte tot stenen op uw vinger
SiC heeft zich ontwikkeld van een schuurmiddel op uw slijpschijf via een gloeiende elektrische rariteit tot de halfgeleidertechnologie die elektrische voertuigen met een grotere actieradius en omvormers in planeet-besparende zonne-energie mogelijk maakt. Oh, en trouwens, Acheson’s droom was zo goed als gerealiseerd – SiC of Moissanite edelstenen zijn nauwelijks te onderscheiden van pure diamanten.
Lees meer over hoe SiC Cascodes presteren in praktische toepassingen op unitedsic.com/downloads.
Door Anup Bhalla, VP Engineering bij UnitedSiC (www.unitedsic.com)