Kiselkarbid (SiC) har stor potential att revolutionera kraftelektronik och andra applikationer som kräver robusta prestanda i tuffa miljöer, men dess förmåga att klara höga temperaturer innebär unika utmaningar som måste hanteras direkt.
SiC är känt för sina exceptionella egenskaper, som kräver avancerad tillverkningsteknik för att maximera dess potential. Detta kräver optimering av kristalltillväxten för att minimera utökade defekter och främmande polytyper.
1. Hög elektrisk ledningsförmåga
SiC har högre elektrisk ledningsförmåga än kisel, vilket möjliggör större genomslagsfält och lägre on-resistans. Detta minskar switchförlusterna och effektförlusterna samtidigt som systemeffektiviteten överlag förbättras. SiC:s överlägsna prestanda gör det också idealiskt för användning i högspänningsscenarier, t.ex. växelriktare för elfordon, där dess motståndskraft mot termisk nedbrytning och genomslagsfältets styrka ökar räckvidden och förbättrar tillförlitligheten.
SiC:s större tolerans för gitterfel, högre elektriska fältstyrka vid genombrott och förbättrade transportegenskaper gör det till en utmärkt kandidat för kraftkomponenter som Schottky-barriärdioder och MOSFET:er. SiC:s överlägsna prestanda gör det också möjligt för dem att arbeta vid högre anslutningstemperaturer för minskat motstånd och högre effekttäthet.
SiC-krafthalvledare har blivit alltmer erkända för sin förmåga att minska switchförlusterna, öka effekttätheten och upprätthålla höga strömtätheter, vilket gör dem till mycket uppskattade komponenter i elfordon. Deras beprövade förmåga att minska omvandlings- och inverterförluster möjliggör längre körsträckor och mindre storlek/vikt på batterihanteringssystem; dessutom gör deras motståndskraft mot höga spänningar dem till viktiga komponenter i smarta elnät som förbättrar energieffektiviteten samtidigt som koldioxidutsläppen minskar.
2. Låg värmeledningsförmåga
Kisel (Si) är ett grundläggande material som används i traditionella elektroniska enheter som transistorer och integrerade kretsar, men det innebär särskilda svårigheter när det används i kraftelektronik med högre spänningskrav och i tuffa miljöer. Kiselkarbid (SiC) erbjuder överlägsen hastighet, tillförlitlighet och effektivitet jämfört med sin motsvarighet i kisel.
SiC tål genomslagsspänningar som är tio gånger högre än kisel, vilket möjliggör utveckling av nästa generations krafthalvledarkomponenter, t.ex. Schottky-dioder och MOSFET-transistorer, som minskar switchförlusterna samtidigt som strömtätheten ökar, vilket ger lägre påslagsmotstånd och snabbare drift.
3C-SiC är ett utmärkt materialval för högtemperaturtillämpningar som kraftelektronik i elfordon och 5G-kommunikationssystem, där skivorna måste tåla både höga temperaturer och spänningar. En EBSD-analys av dess tillväxtyta och yta nära Si-substrat avslöjade dess enda (111) orientering fristående bulk 3C-SiC-prov. Dessutom har avsiktligt dopade prover fler staplingsfel med minskad dislokationskoncentration - vilket stöder teorin om att B-förorening avsevärt minskar värmeledningsförmågan som förutspått.
3. Hög energitäthet
Kiselkarbid har använts som halvledarmaterial i mer än 100 år, och på senare tid har applikationer som kraftaggregat, t.ex. inverterare och omvandlare, fått en framträdande roll tack vare materialets förmåga att klara högre driftsspänningar och switchfrekvenser än traditionella kiselaggregat, vilket ger kraftaggregat med oöverträffad effektivitet och storlek - perfekt för vikt- och utrymmesbegränsade elfordonsapplikationer.
SiC:s höga energitäthet uppnås främst tack vare dess breda bandgapsegenskaper. SiC har ett mycket större energigap än traditionella halvledarmaterial av kisel, vilket gör att dess dioder och transistorer kan ha tunnare n-skikt för givna genomslagsspänningar, vilket leder till minskat motstånd i genomloppsläget och snabbare kopplingstider.
SiC-enheter drar nytta av att de har breda bandgap för att effektivt avleda värme vid förhöjda temperaturer utan att förlita sig på besvärliga kylsystem, vilket leder till högre effekttäthet. Kiselkarbidens unika egenskaper gör det också till det perfekta materialet för kritiska kraftsystem i elfordon, t.ex. växelriktare och ombordladdare som optimerar batteriets prestanda och laddningstider.
4. Låg kostnad
SiC-halvledare erbjuder en enastående möjlighet att avsevärt minska effektförluster och kostnader i en mängd olika tillämpningar på 2000-talet. Tekniken har möjliggjort mer kompakta och energieffektiva kraftelektronikkomponenter, t.ex. i växelriktare för elektriska drivlinor, växelriktare för solenergi och industriella motorstyrningar.
Tack vare lägre kopplingsförluster och driftstemperaturer kan dessa komponenter vara mindre, lättare och billigare än motsvarande kiselkomponenter, vilket leder till lägre systemkostnader och högre energieffektivitet - ett viktigt krav för hållbar teknik.
I och med lanseringen av 8-tums wafers bör tillgången på högkvalitativa SiC-kraftkomponenter öka betydligt och priserna kan så småningom komma att sjunka betydligt över tiden.
Andra faktorer som bidrar till prisnedgången på SiC-enheter är lägre kostnader för epitaxi och tillverkning av enheter samt billigare förbrukningsvaror jämfört med dem som används vid bearbetning av kiselbaserade enheter. En eventuell prisnedgång kan dock komma att kompenseras av ökad volymproduktion av SiC-substrat i takt med att skalfördelar uppstår samt kontinuerliga förbättringar av kvalitetsstandarderna för SiC-substrat.
5. Låg energiförbrukning
På grund av den ökande efterfrågan på laddningsstationer för elfordon (EV) och datacenter för att stödja IoT-enheter, mjukvaruapplikationer och andra datatunga tjänster, är SiC-teknologier inställda på att möta denna utmaning med innovativa energibesparande lösningar. SiC är redo och väntar på att ge svar.
SiC-enheter utmärker sig genom sin termiska prestanda, vilket bidrar till att minska effektförlusterna och förbättra systemeffektiviteten, minska systemets storlek och vikt samtidigt som switchförlusterna minskar avsevärt jämfört med motsvarande kiselenheter och ökar enhetens tillförlitlighet.
Dessutom ger det breda bandgapet högre genomslagsfält som möjliggör tunnare driftområden, vilket drastiskt minskar on-state-motståndet per ytenhet jämfört med kisel vid liknande spänningstålighet. Detta möjliggör konstruktioner med högre effekttäthet och färre passiva komponenter, vilket minskar systemkostnaderna och strömförbrukningen över tiden.
ST utökar sin kapacitet för högvolymtillverkning i 200 mm för krafthalvledare och moduler för att säkra tillförlitliga leveranser till elfordon, växelriktare för solenergi, industriella motorstyrningar och andra energieffektivitetsapplikationer. Dessutom gör företaget SiC mer tillgängligt för bredare tillämpningar inom elektronik och kraftsystem genom nya forskningsinitiativ.
Swedish 
English