Wykorzystanie półprzewodników mocy z węglika krzemu (SiC) we wszystkich urządzeniach, od pojazdów elektrycznych po ogniwa fotowoltaiczne i silniki przemysłowe, nabiera tempa, ale skąd pochodzi ten materiał? Co jest w nim takiego wyjątkowego? I dlaczego tak długo trwało, zanim SiC zyskał popularność w przemyśle półprzewodnikowym, skoro po raz pierwszy został użyty jako podstawa detektorów radiowych ponad sto lat temu?
Pył gwiezdny na butach
Skorupa ziemska składa się w około 28% z krzemu i 0,03% z węgla, więc można by pomyśleć, że po długim spacerze na wsi można znaleźć wystarczająco dużo węglika krzemu (SiC), aby wykonać kilka matryc półprzewodnikowych przyklejonych do podeszwy buta. Jeśli spacer odbywał się nad kraterem uderzenia meteorytu, można by znaleźć kilka drobin – jedyny naturalnie występujący SiC występuje w postaci moissonitu, odłamków supernowej lub wyrzuconych z bogatych w węgiel czerwonych gwiazd olbrzymich zebranych w przestrzeni kosmicznej i kończących jako mikronowej wielkości cząstki w meteorytach. Rzeczywiście gwiezdny pył.
Mogliśmy nigdy nie zauważyć istnienia SiC, ale w 1891 roku amerykański wynalazca Edward G Acheson próbował znaleźć sposób na produkcję sztucznych diamentów, podgrzewając glinę (krzemian glinu) i węgiel. Zauważył błyszczące sześciokątne kryształy przyczepione do łuku węglowego używanego do ogrzewania i nazwał ten związek karborundem, myśląc, że jest to forma skrystalizowanego tlenku glinu podobna do korundu. Mógł pomyśleć, że trafił w drugie miejsce, ponieważ rubiny i szafiry są rodzajami korundu, ale zdał sobie sprawę, że ma coś nowego, związek prawie tak twardy jak diament, który może być wykonany jako chipy lub proszek na skalę przemysłową z zastosowaniem jako materiał ścierny.
Diody LED z SiC pojawiły się przed tranzystorami
Wcześniej w XX wieku eksperymentatorzy odkryli, że kryształy różnych substancji, takich jak german, mogą dać „niesymetryczne przejście prądu” lub rektyfikację, jak byśmy to wiedzieli, co znalazło zastosowanie w „kryształowych” radiach. Kiedy wypróbowano węglik krzemu, wystąpiło dziwne zjawisko: kryształ świecił na żółto, czasem na zielono, pomarańczowo, a nawet niebiesko. Pierwsza dioda LED została odkryta, czterdzieści lat przed tranzystorem.
Jako dioda LED, SiC został wkrótce wyparty przez arsenek galu i azotek galu o 10-100 razy lepszej emisji, ale jako materiał, SiC nadal wzbudzał zainteresowanie w świecie elektroniki; ma przewodność cieplną 3,5 razy lepszą niż krzem i może być silnie domieszkowany w celu uzyskania wysokiej przewodności, przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej odporności na przebicie przez pole elektryczne. Pod względem mechanicznym jest bardzo twardy, obojętny i ma bardzo niski współczynnik rozszerzalności cieplnej oraz wysoką odporność na temperaturę. SiC nawet się nie topi – sublimuje w temperaturze około 2700⁰C.
SiC czyni dobro
SiC był znany jako dobry kandydat na urządzenie półprzewodnikowe bardzo wcześnie, więc co go powstrzymało i pozwoliło krzemowi stać się standardem? Głównym problemem była eliminacja defektów w kryształach SiC, lista jest długa: dyslokacje krawędziowe, dyslokacje śrubowe różnego typu, defekty trójkątne i dyslokacje w płaszczyźnie podstawowej. Efektem niedoskonałości kryształu była bardzo słaba wydajność blokowania wstecznego, co czyniło części w zasadzie elektrycznie bezużytecznymi. Występowały również problemy z łączeniem SiC z dwutlenkiem krzemu (SiO2) w celu wytworzenia popularnych typów przyrządów MOSFET i IGBT. Ciągły rozwój pozwolił jednak poprawić jakość, dzięki czemu 6-calowe wafle dają akceptowalną wydajność, a przełom zwany azotowaniem lub wyżarzaniem w dwutlenku azotu lub tlenku azotu umożliwia niezawodne nakładanie warstw SiO2 na SiC.
Od skał w kosmosie do skał na palcu
SiC przeszedł ewolucję od materiału ściernego na tarczy szlifierskiej poprzez świecącą ciekawostkę elektryczną do technologii półprzewodnikowej umożliwiającej produkcję pojazdów elektrycznych o większym zasięgu i inwerterów w oszczędzających planetę elektrowniach słonecznych. Przy okazji, marzenie Achesona zostało zrealizowane – kamienie szlachetne SiC lub Moissanite są ledwo odróżnialne od czystych diamentów.
Dowiedz się więcej o przewadze kaskad SiC w zastosowaniach praktycznych na stronie unitedsic.com/downloads.
By Anup Bhalla, VP Engineering at UnitedSiC (www.unitedsic.com)