Adoptarea semiconductoarelor de putere din carbură de siliciu (SiC) în toate domeniile, de la vehicule electrice la sisteme fotovoltaice solare și motoare industriale, se accelerează, dar de unde provine acest material? Ce este atât de special la el? Și de ce a durat atât de mult timp pentru ca SiC să câștige tracțiune în industria semiconductorilor, când a fost folosit pentru prima dată ca bază pentru detectoarele radio cu mai bine de un secol în urmă?
Praf de stele pe cizmele tale
Coroasa Pământului cuprinde aproximativ 28% siliciu și 0,03% carbon, așa că ai putea crede că vei găsi suficientă carbură de siliciu (SiC) pentru a face câteva matrițe semiconductoare lipite de tălpile cizmelor tale după o plimbare lungă la țară. Dacă plimbarea a avut loc deasupra unui crater de impact de meteorit, s-ar putea să găsiți câteva pete – singurul SiC care apare în mod natural este sub formă de moissonit, resturi de la o supernovă sau ejectat de la stele gigantice roșii, bogate în carbon, preluate în spațiu și care ajung sub formă de particule de dimensiuni micronice în meteoriți. Într-adevăr, praf de stele.
S-ar putea să nu fi observat niciodată existența SiC-ului, dar în 1891 inventatorul american Edward G Acheson încerca să găsească o modalitate de a produce diamante artificiale, prin încălzirea argilei (silicat de aluminiu) și a carbonului. El a observat cristale hexagonale strălucitoare atașate de arcul de lumină din carbon folosit pentru încălzire și a numit compusul carborundum, crezând că este o formă de alumină cristalizată, precum corindonul. S-ar fi putut gândi că a nimerit pe locul doi, deoarece rubinele și safirele sunt tipuri de corindon, dar și-a dat seama că avea ceva nou, un compus aproape la fel de dur ca diamantul, care putea fi fabricat sub formă de așchii sau pulbere la scară industrială, cu aplicare ca abraziv.
LED-urile cu SiC au apărut înaintea tranzistoarelor
La începutul secolului XX, experimentatorii au descoperit că cristalele diferitelor substanțe, cum ar fi germaniul, puteau da o „trecere nesimetrică a curentului” sau rectificare, așa cum o cunoaștem noi, care și-a găsit utilizarea în radiourile cu „cristal”. Când s-a încercat carbura de siliciu, s-a produs un fenomen ciudat: cristalul strălucea în galben, uneori în verde, portocaliu sau chiar albastru. Primul LED fusese descoperit, cu patruzeci de ani înaintea tranzistorului.
Ca LED, SiC a fost repede înlocuit de arsenura de galiu și nitrura de galiu cu o emisie de 10-100 de ori mai bună, dar, ca material, SiC a generat în continuare interes în lumea electronicii; are o conductivitate termică de 3,5 ori mai bună decât a siliciului și poate fi puternic dopat pentru o conductivitate ridicată, menținând în același timp o defalcare ridicată a câmpului electric. Din punct de vedere mecanic, este foarte dur, inert și are un coeficient foarte scăzut de dilatare termică și o temperatură nominală ridicată. SiC nici măcar nu se topește – se sublimează la aproximativ 2700⁰C.
SiC face bine
SiC a fost cunoscut ca un bun candidat pentru un dispozitiv semiconductor foarte devreme, deci ce l-a reținut și a lăsat siliciul să devină standardul? Principala problemă a fost eliminarea defectelor din cristalele de SiC, lista este lungă: dislocații de margine, dislocații de șurub de diferite tipuri, defecte triunghiulare și dislocații de plan bazal. Efectul cristalului mai puțin perfect a fost o performanță foarte slabă de blocare inversă, ceea ce a făcut ca piesele să fie practic inutilizabile din punct de vedere electric. Au existat, de asemenea, probleme de interfațare a SiC cu dioxidul de siliciu (SiO2) pentru a fabrica tipurile populare de dispozitive MOSFET și IGBT. Cu toate acestea, dezvoltarea continuă a îmbunătățit calitatea, astfel încât plachete de 6 inci pot oferi un randament acceptabil, iar o descoperire numită nitrurare sau recoacere în dioxid de azot sau oxid de azot permite creșterea fiabilă a peliculelor de SiO2 pe SiC.
De la rocile din spațiu la rocile de pe degetul tău
SiC a evoluat de la un abraziv pe roata ta de șlefuit, trecând printr-o curiozitate electrică strălucitoare, până la tehnologia semiconductoare care permite vehiculelor electrice cu rază de acțiune mai mare și invertoarelor în energia solară care salvează planeta. Oh, și apropo, visul lui Acheson a fost ca și realizat – pietrele prețioase din SiC sau Moissanite abia dacă se disting de diamantele pure.
Aflați mai multe despre modul în care cascodele SiC sunt mai performante în aplicații practice la unitedsic.com/downloads.
De Anup Bhalla, VP Engineering la UnitedSiC (www.unitedsic.com)