Det går allt snabbare att använda krafthalvledare av kiselkarbid (SiC) i allt från elbilar till solceller och industriella motorer, men var kommer materialet ifrån? Vad är det som är så speciellt med det? Och varför har det tagit så lång tid för SiC att få fotfäste i halvledarindustrin, när det först användes som grund för radiodetektorer för över hundra år sedan?
Stjärnstoft på dina stövlar
Jordskorpan består av cirka 28 % kisel och 0,03 % kol, så man skulle kunna tro att det finns tillräckligt med kiselkarbid (SiC) för att göra några halvledarmatriser som sitter fast på dina stövelsulor efter en lång promenad på landsbygden. Om promenaden gick över en meteoreffektkrater kan du kanske hitta några fläckar – det enda naturligt förekommande kiselkarbonat finns i form av moissonit, spillror från en supernova eller utkast från kolrika, röda jättestjärnor som plockas upp i rymden och hamnar som mikrometerstora partiklar i meteoriter. Stardust indeed.
Vi har kanske aldrig lagt märke till SiC:s existens, men 1891 försökte den amerikanske uppfinnaren Edward G Acheson hitta ett sätt att framställa konstgjorda diamanter genom att värma upp lera (aluminiumsilikat) och kol. Han lade märke till glänsande hexagonala kristaller som fästes vid kolbågsljuset som användes för uppvärmning och kallade föreningen för karborundum, eftersom han trodde att det var en form av kristalliserad aluminiumoxid som korund. Han kanske trodde att han hade hittat en andrahandsval, eftersom rubiner och safirer är typer av korund, men han insåg att han hade något nytt, en förening som var nästan lika hård som diamant och som kunde tillverkas i form av flis eller pulver i industriell skala med användning som slipmedel.
SiC LED:er kom före transistorer
I början av 1900-talet upptäckte experimenterare att kristaller av olika ämnen, t.ex. germanium, kunde ge ”osymmetrisk strömgenomströmning” eller likriktning som vi känner till det, vilket användes i ”kristallradioapparater”. När man försökte med kiselkarbid uppstod ett märkligt fenomen: kristallen glödde gult, ibland grönt, orange eller till och med blått. Den första lysdioden hade upptäckts, fyrtio år före transistorn.
Som lysdiod ersattes kiselkarbid snart av galliumarsenid och galliumnitrid med 10-100 gånger bättre utsläpp, men som material väckte kiselkarbid fortfarande intresse i elektronikvärlden. Det har en värmeledningsförmåga som är 3,5 gånger bättre än kisel och kan dopas kraftigt för att uppnå hög ledningsförmåga, samtidigt som det bibehåller en hög elektrisk fältfördelning. Mekaniskt sett är det mycket hårt, inert och har en mycket låg värmeutvidgningskoefficient och en hög temperaturklass. SiC smälter inte ens – det sublimeras vid cirka 2700⁰C.
SiC gör nytta
SiC var känt som en bra kandidat för en halvledaranordning mycket tidigt, så vad var det som höll det tillbaka och lät kisel bli standard? Huvudproblemet var att eliminera defekter i SiC-kristallerna, listan är lång: kantförskjutningar, skruvförskjutningar av olika slag, triangulära defekter och basalplansförskjutningar. Effekten av den mindre perfekta kristallen var en mycket dålig omvänd blockeringsförmåga, vilket gjorde delarna i princip elektriskt oanvändbara. Det fanns också problem med att koppla SiC till kiseldioxid (SiO2) för att tillverka de populära MOSFET- och IGBT-enheterna. Kontinuerlig utveckling har dock förbättrat kvaliteten så att 6-tums wafers kan ge ett acceptabelt utbyte och ett genombrott som kallas nitrering eller glödgning i kvävedioxid eller kväveoxid gör det möjligt att odla SiO2-filmer på SiC på ett tillförlitligt sätt.
Från stenar i rymden till stenar på ditt finger
SiC har utvecklats från ett slipmedel på din slipskiva via en glödande elektrisk nyfikenhet till halvledartekniken som möjliggör elbilar med längre räckvidd och växelriktare i planetens räddande solenergi. Och förresten, Achesons dröm var så gott som förverkligad – SiC- eller moissanitpärlor kan knappt skiljas från rena diamanter.
Lär dig mer om hur SiC-kaskoder överträffar varandra i praktiska tillämpningar på unitedsic.com/downloads.
av Anup Bhalla, VP Engineering på UnitedSiC (www.unitedsic.com)