Coherent sijoittaa $500 miljoonaa piikarbidipohjaiseen puolijohdeteollisuuteen

Pittsburghissa toimiva Coherent Corporation ilmoitti maanantaina, että DENSO ja Mitsubishi Electric Corporation ovat kumpikin sijoittaneet $500 miljoonaa saadakseen 12,5%:n suuruisen vähemmistöosuuden yhtiön piikarbidipuolijohdeliiketoiminnasta, Liiketoimintaa johdetaan erillisenä tytäryhtiönä, ja sen johdossa toimii laajakaistaisen elektroniikkateknologian johtaja Sohail Khan.

Tämä koherentti detektiomenetelmä voi alentaa järjestelmän kustannuksia merkittävästi, kun LO-komponentteja ja optisia taajuuslukituspiirejä ei tarvita ja kun käytetään yksinkertaisempaa polarisaatiotilan seurantatekniikkaa.

Tehoelektroniikka

Piikarbidi (SiC) on houkutteleva vaihtoehto tehoelektroniikassa sen laajan kaistanraon, korkean läpilyöntikentän voimakkuuden, suuren elektronien kyllästysdriftinopeuden ja lämmönjohtavuuden ansiosta. SiC:n sähkökentän voimakkuus voi olla jopa 10 kertaa suurempi kuin piin; tämän ansiosta laitteet voidaan valmistaa kymmenesosan ohuemmiksi ja ne kestävät samalla suurempia virrantiheyksiä – mikä johtaa pienempiin tehohäviöihin pienemmissä ja energiatehokkaammissa elektroniikkakomponenteissa.

SiC:llä on edessään yhä merkittävämpi rooli seuraavan sukupolven energiatehokkaissa sähköjärjestelmissä, sillä sen erinomaiset fysikaaliset ominaisuudet korkeissa lämpötiloissa tekevät siitä välttämättömän komponentin. Tehonelektroniikka, joka kestää korkeampia käyttölämpötiloja ja tarjoaa samalla suuremman luotettavuuden pienemmässä koossa, tulee olemaan ratkaisevassa asemassa kasvihuonekaasupäästöjen vähentämisessä, verkkoinfrastruktuurin kestävyyden ylläpitämisessä sekä sähkön hinnan pitämisessä kohtuullisena niin yrityksille, kotitalouksille kuin ajoneuvoillekin.

Autonvalmistajat ja alihankkijat hankkivat mieluummin SiC-pohjaisia tehoelektroniikkakomponentteja vertikaalisesti integroituneilta toimittajilta, eli yrityksiltä, jotka kehittävät piikiekkomateriaalia siemennyksestä valmiiden laitteiden valmistukseen asti. Tämä lähestymistapa takaa laadun tasaisuuden koko toimitusketjussa mahdollisten ongelmien sattuessa ja estää syyllisten etsimisen toimittajien välillä ongelmatilanteissa. Coherent tarjoaa suurihalkaisijaisia puolieristäviä substraatteja, joilla voidaan valmistaa GaN-on-SiC-vahvistimia ja muita RF-/mikroaaltolaitteita, jotka soveltuvat korkean suorituskyvyn sähköajoneuvosovelluksiin.

Osittain eristävät alustat

Huippulaatuiset SiC-substraatit ovat välttämättömiä huipputeknologian tehoelektroniikan sekä galliumnitridi (GaN)-heteroepitaaksisten mikroaaltotaajuisten RF-komponenttien valmistuksessa. Niiden korkean läpilyöntijännitteen, lämmönjohtavuuden ja GaN-heteroepitaaksisen suorituskyvyn yhdistelmä takaa näille komponenteille poikkeuksellisen hyvän RF-suorituskyvyn.

Laadukkaiden substraattien valmistus ja tarkastus on suoritettava huolellisesti, jotta voidaan minimoida kiteiset viat – kuten porkkana-viat, polytyyppiset sulkeumat tai naarmut – niiden kiekkojen pinnalla, jotka saattaisivat heikentää laitteen suorituskykyä. Yleisiä pinnan tarkastusmenetelmiä ovat pyyhkäisyelektronimikroskopia, atomivoimamikroskopia ja optinen mikroskopia.

Käyttämättömät HPSi (kuusikulmainen polytyyppi SiC) -substraatit, jotka on valmistettu fysikaalisella höyrykuljetuksella (PVT) tai korkean lämpötilan kemiallisella höyrypinnoituksella (HTCVD), hyödyntävät sisäisiä vikoja syvien energiatasojen luomiseksi niiden kaistaväliin ja kompensoivat sen keskiosan läheisyydessä jäljelle jääviä matalia typpi- ja booridonoreita, mikä pakottaa Fermi-tason lähemmäksi.

II-VI käynnisti menestyksekkäästi 150 mm:n 6H-puolieristävien substraattien kaupallisen tuotannon osana 50–50-kustannusjakosopimusta, jonka kokonaisarvo oli $12M viiden vuoden ajalle ja johon liittyi yli $12M valtion rahoitusta vuoden 2019 alussa. Osana tätä ohjelmaa panostettiin merkittävästi tuotannon tehokkuuden ja tuotantokapasiteetin parantamiseen laadusta tinkimättä, muun muassa laajentamalla kuumavyöhykkeitä ja asentamalla automatisoituja ohjausjärjestelmiä kasvatusasemille – parannukset, jotka johtivat mikroputkien tiheyden kasvuun, kuten kuvassa 2 esitetään.

RF ja mikroaallot

SiC:n kyky havaita koherentteja spin-tiloja täyttää yhden monimutkaisten kvanttiohjaussovellusten keskeisistä vaatimuksista ja avaa samalla uusia mahdollisuuksia optisesti havaittavan magneettisen resonanssin (ODMR) sekä fotodetektio-Rabi-oskillaation sovelluksille.

Näissä sovelluksissa tarvitaan sovelluskohtaisia radiotaajuusjärjestelmiä, joilla on kapea kaistanleveys ja pitkäaikainen vakaus. Tämän tavoitteen saavuttamiseksi mikroaaltomoodien polarisaation ja avaruudellisen jakauman on vastattava optisten WGM-moodien vastaavia ominaisuuksia.

Mikroaaltokentän suuntaominaisuuksien hyödyntäminen voi auttaa tässä tehtävässä; esimerkiksi suuntaamalla kentän pallon reunaan tai päiväntasaajaan on mahdollista keskittää mikroaaltomoodi alueille, joilla optiset WGM:t sijaitsevat.

Vaihtoehtoisesti RF-signaali voidaan syöttää siirtämällä mikroaaltosignaalia pois resonanssialueelta ja siirtämällä sitä pois resonanssiasemastaan. Tämä mahdollistaa mittausten suorittamisen sekä resonanssi- että ei-resonanssitiloissa ilman, että joudutaan odottamaan näiden tilojen välistä siirtymää.

Coherent (piikarbidiliiketoiminta) valmistaa piikarbidipohjaisia puolijohteita. Yhtiö toimittaa piikarbidista valmistettuja substraatteja ja epitaksisia kiekkoja vastaamaan asiakkaiden kysyntään maailmanlaajuisesti. Coherentin piikarbidiliiketoiminnalla on asiakkaita ympäri maailmaa; lisätietoja liiketoiminnasta löytyy PitchBook-alustalta.

Lämmönhallinta

Lämmön syntyminen, siirtyminen ja poistuminen ovat elektroniikkajärjestelmien olennaisia osia. Jokaisella laitteella on omat lämpötilansa, joissa se toimii optimaalisesti; suorituskyvyn maksimoimiseksi on ratkaisevan tärkeää, että laitteet saavuttavat optimaaliset suorituskykytasot.

Yksi tapa ratkaista tämä ongelma on käyttää piikarbidista (SiC) valmistettua lämpöeristettä. SiC:llä on alhainen lämpölaajenemiskerroin, mikä tarkoittaa, että sen muoto ei muutu merkittävästi prosessoinnin aikana tai rasitusolosuhteissa – tämä mahdollistaa ohuempien piikiekkojen valmistamisen suorituskyvyn säilyessä ennallaan ja samalla pienentää laitteen kokonaismittoja ja kustannuksia.

Tehokas lämmönhallintastrategia perustuu puolijohdejäähdyttimien, kuten termoelektronisten jäähdyttimien (TEC), käyttöön. Nämä passiiviset jäähdytyslaitteet – joissa ei ole liikkuvia osia tai säätimiä – pitävät lämpötilan vakaana pitkään ja saavuttavat käyttölämpötilan, joka on selvästi huoneenlämpötilaa alhaisempi.

Sekä kuluttaja- että teollisuussovelluksissa voidaan saavuttaa energiansäästöjä käyttämällä reaktiosidottuja Si/SiC (RBSiC)-materiaaleja sisältäviä TEC-elementtejä; yksi tällainen TEC-elementti käyttää RBSiC-materiaalia, joka pienentää pohjalevyn kokoa 50 prosentilla ja tarjoaa samalla neljä kertaa suuremman lämpökapasiteetin kuin kupariset TEC-elementit. RBSiC:n kromivikarakenne tuottaa ei-degeneroituneita orbitaalidubletteja, jotka tarjoavat sekä lyhyitä T1-koherenssiaikoja (Spin T1) että pitkiä spin T2-koherenssiaikoja, mikä takaa optimaaliset optiset ja magneettiset koherenssiominaisuudet.