Cree, som tidigare var mest känt för sina LED-lampor, har nu flyttat fokus helt och hållet till halvledare av kiselkarbid och galliumnitrid med brett bandgap. [1]
Durham-baserade materialleverantörer och chiptillverkare erbjuder nu 4-tums SiC-substrat och epitaximaterial kommersiellt, baserat på forskning som finansierats av flygvapnet. Det bredare formatet möjliggör dubbelt så många enheter per wafer jämfört med 3-tumsversioner.
Högspänning
Cree, ett företag som är känt för sina specialiserade halvledare med brett bandgap (SiC), har nyligen lanserat sin första power-MOSFET i kiselkarbid. Denna MOSFET, som ingår i Wolfspeed-familjen, har hög blockeringsspänning med lägre switchförluster för förbättrad energieffektivitet och mindre storlek.
Kiselkomponenter kan inte arbeta tillförlitligt vid höga temperaturer och frekvenser som är upp till fem gånger snabbare, med mindre switchförluster, vilket gör dem lämpliga för mer krävande applikationer som elfordon, ombordladdare, buck-omvandlare och huvudomriktare som behöver höga blockeringsspänningar för att på ett säkert sätt överföra energi från batteri till hjul.
John Palmour, CTO på Cree/Wolfspeed, diskuterar skillnaderna mellan kisel och SiC och varför båda materialen används i nya kraftelektronikkonstruktioner samt vilka framtida tillämpningar som kan finnas.
Cree och SUNY Poly är partners i Mohawk Valley Fab, ett ambitiöst projekt värt $5 miljarder som kommer att bli världens största tillverkningscampus för kiselkarbidmaterial. Det kommer att producera SiC-wafers som används av andra företag som producerar kraftelektronik som omvandlar energi som lagras i batterier till elektricitet; i slutändan flyttar oss bort från fossila bränslen till rena energiekonomier som elfordon med snabbladdningsfunktioner samt ombordladdare som används av dessa fordon, boost- och PFC-omvandlare som används i datacenter, industriella motorstyrningar, 5G trådlös infrastruktur.
Hög ström
Kiselkarbidkomponenter har ett bredare bandgap som gör att de kan arbeta vid högre spänningar, effektnivåer och frekvenser än motsvarande kiselkomponenter, vilket gör att komponenterna kan bli mindre, lättare och mer energieffektiva - vilket minskar både kostnader och värmeavledningskostnader samtidigt som effektiviteten ökar genom snabb växling vid höga temperaturer och hastigheter samtidigt som bullret minskar utan behov av fläktar.
Kiselkarbidens höga blockeringsspänningar gör den till ett utmärkt materialval för applikationer med effektswitchning, t.ex. MOSFETs och dioder med överlägsen fältstyrka vid genombrott som gör att de kan switcha vid upp till tre gånger högre frekvenser än kommersiellt tillgängliga kiselkomponenter, vilket gör SiC-kraftkomponenter perfekta för industriella motordrifter, AC/DC-omvandlare för datacenter, PFC (effektfaktorkorrigering), boost/buck DC/DC-omvandlingskretsar, borrning i borrhål för den petrokemiska industrin samt hybrid- och elfordonsapplikationer.
Efter flera års framgångar med tillverkning av LED-belysning skiftade Cree fokus och öppnade 2022 Wolfspeeds första och världens största fabrik för tillverkning av 200 mm krafthalvledare i Chatham County nära NC State. Deras mål är att producera kiselkarbidwafers som avsevärt kan förbättra energieffektiviteten - potentiellt minska elförbrukningen och utsläppen med upp till 50 procent - vilket skulle göra det möjligt för hållbara rena energikällor som elfordon med sina laddare, 5G trådlös infrastruktur, förnybar energi och energilagring att övergå från fossila bränslen till mer hållbara former som elbilar med sina laddare, 5G trådlös infrastruktur samt kapacitet för energilagring - avgörande för övergången från fossila bränslen till hållbara former som elfordon med sina laddare som ett steg mot hållbara rena energikällor som elfordon och deras laddare när världen övergår från fossila bränslen till förnybara källor som elfordon med kapacitet för energilagring för att uppnå energioberoende över tid.
Hög temperatur
Kiselkarbid är ett anpassningsbart material som kan arbeta inom ett brett temperaturområde. Detta gör det användbart i applikationer som involverar högspännings- och strömelektronik, t.ex. halvledarenheter som måste klara extrema förhållanden - kiselkarbid klarar detta även vid högre temperaturer än konventionella kiselhalvledare, vilket gör det till en utmärkt ersättning i effekttransistorer som styr elflödet i elektriska kretsar - som arbetar vid mycket högre spännings- och effektnivåer samtidigt som de är mindre och kräver mindre kylning än sina motsvarigheter i kisel.
Kiselkarbid har flera tydliga fördelar som gör det till ett lämpligt material för kraftelektronik och RF-applikationer, inklusive halvledarkomponenter för medelspänning (3,3 kV till 10 kV) och högspänning (2 kV till 15 kV). Cree/Wolfspeed har utvecklat flera SiC-teknologier för kraftelektronik med applikationer för mellanspänning (3,3kV till 10kV) och högspänning (2kV till 15kV) under utveckling; deras arbete med PowerAmerica, ett av 14 DOE-finansierade tillverkningsinstitut, har påskyndat utvecklingen och tillförlitlighetstestningen av deras SiC-produkter för krafthalvledare.
Cree/Wolfspeeds 36-åriga erfarenhet av att arbeta med kiselkarbid och dess efterföljare galliumnitrid (GaN) i kombination med dess vertikalt integrerade teknikportfölj som omfattar såväl wafers och epitaxi som kraft/RF-enheter gör denna förutsägelse möjlig.
Lågt läckage
Kiselkarbid har en exceptionellt låg läckström (mindre än 1A) jämfört med andra krafthalvledarkomponenter, vilket minskar risken för systemfel eller systemfel och gör kiselkarbid idealisk för högeffektiva kraftelektronikkomponenter som arbetar under extrema temperaturer eller i tuffa miljöer.
Kiselkarbidkristaller är tillverkade av ett mycket hårt material som är motståndskraftigt mot stötar, vibrationer och slagskador. Denna egenskap gör kiselkarbid idealisk för verktyg som hammare, borrar och sågar som måste klara höga hastigheter eller tryck; dess seghet lämpar sig också väl för lapidarisk användning som slipmedel, medan moderna lapidariska tillämpningar använder dess hårdhet som en antidistorsionsåtgärd mot ytskador på arbetsstycken.
MOSFET:er och dioder i SiC ökar energieffektiviteten i många kraftelektroniska system tack vare högre blockeringsspänning och snabbare switchfunktioner, vilket gör dem tre gånger mer energieffektiva än kommersiellt tillgängliga kiselkomponenter, vilket leder till lägre kostnader, lägre vikt och mindre utrymme för konstruktörerna.
Wolfspeed (då känt som Cree) tillkännagav ett viktigt partnerskapsavtal med General Motors om att förse deras elfordon med kiselkarbidchips från Wolfspeeds produktionsanläggning 2022, och blir därmed en nyckelspelare när ambitionerna för elfordon inom bilindustrin ökar avsevärt. Wolfspeed uppgav också att de planerade att uppgradera produktionsanläggningens kapacitet för att producera 200 mm wafers för att stödja dessa order.
Swedish 
English