I takt med att marknaden för elfordon expanderar måste tillverkarna minska de initiala inköps- och driftskostnaderna samtidigt som de måste öka räckvidden och minska laddningstiden - alla dessa funktioner utförs med SiC-baserad kraftelektronik.
Coherents expertis inom II-VI har inspirerat dem att bilda ett dotterbolag som är dedikerat till att tillhandahålla 200 mm substrat och epi-wafers för kraftelektronikenheter, med Denso som är en fordonsleverantör och Mitsubishi Electric som levererar till flera industrier som sina viktigaste kunder.
Substrat med hög resistivitet
SiC-substrat är en integrerad del av kraftaggregat som möjliggör höga genomslagsspänningar och låga switchförluster som krävs för effektiv kraftomvandling i elfordon, vindkraftverk, solpaneler och andra industriella applikationer. För att förbli kostnadseffektiva under extrema förhållanden behöver dessa enheter ett substrat med hög resistans som minimerar energiförlusten när ström passerar genom dem.
Resistansen hos mono-SiC-substrat bestäms av deras dopningstäthet. Mono-SiC består vanligtvis av kiselkarbid med hög renhet, inga defekter och minimal dopningstäthet, men om man använder tungmetaller som koppar (Cu) eller guld i bindningsskikten ökar resistiviteten med cirka 2,5 mikro-Ohm-cm per tillsatt Cu/Au.
SiC-on-Si-substrat (enkristallin kiselkarbid på kisel) ger lägre dopningstäthet med bibehållen kristallkvalitet, vilket möjliggör mindre kostsamma bindningsskikt av Cu eller Au som minskar resistansen avsevärt.
Genom att byta från 6-tumssubstrat till 8-tumssubstrat kan tillverkarna sänka kostnaderna avsevärt genom att minska spillet och öka utnyttjandegraden - enligt den kinesiska substrattillverkaren TankeBlue Semiconductor kan detta spara dem 50% per wafer! Som ett resultat av detta har substrat med hög resistivitet blivit populära inom industrin.
Semi-isolerande substrat
RF-enheter som GaN heteroepitaxi kräver halvledarsubstrat med hög elektrisk resistivitet, låg elektrondriftrörlighet och halvisolerande egenskaper - vanligtvis tillverkade av SiC av n-typ och framställda med epitaxi- eller jonimplantationstekniker. Kvaliteten på substraten har en direkt inverkan på enheternas prestanda, utbyte och tillförlitlighet.
En konventionell metod för att bilda halvisolerande enkristaller av kiselkarbid (SiC) innebär att man tillsätter ett element som aluminium som har djupa acceptornivåer i SiC; detta överkompenserar för kväveföroreningar som minskar donatornivåerna och ger ledande enkristaller av SiC.
En alternativ metod för att producera semiisolerande SiC-monokristaller innebär att man använder inneboende punktdefekter som djupa nivåer för att kompensera för fria bärare som introduceras i SiC av ytliga givar- och acceptordopningsmedel, inklusive ytliga givardopningsmedel som ytliga acceptordopningsmedel och givardopningsmedel. För att detta ska fungera effektivt måste dock en lika stor koncentration av acceptorer och donatorer på djup nivå dopas i varje hörn (NN+ND=NA+NTE).
Semiisolerande kiselkarbidsubstrat tillverkas med hjälp av avancerade tillverkningstekniker som är utformade för att minimera kristalldefekter och säkerställa materialets enhetlighet, vilket ger högpresterande, stabila och tillförlitliga halvledarsubstrat som kan användas i RF- och effektanordningar som förstärkare och transistorer samt applikationer för höga temperaturer och extrema miljöer som radarsystem, sökarnätverk och satellitkommunikation.
Substrat med brett bandgap
Substrat med brett bandgap gör det möjligt att tillverka högpresterande RF-effektförstärkare, lasrar och andra halvledarkomponenter med substrat med brett bandgap. Dessa halvledarkomponenter har överlägsna prestanda jämfört med traditionella kiselbaserade komponenter tack vare det större bandgapet, vilket möjliggör drift vid högre temperaturer; den högre temperaturen gör att komponenterna är mer motståndskraftiga mot slitage, vilket ökar livslängden och tillförlitligheten hos dessa halvledarkomponenter.
Material med breda bandgap har också betydligt snabbare växlingshastigheter än kisel; Galliumnitrid har t.ex. en elektronrörlighet på 2.000 cm2/Vs - 10 gånger snabbare än kisel! Denna ökade omkopplingshastighet gör material med brett bandgap idealiska för högfrekvensapplikationer som telekom, datakommunikation och kraftelektronik.
USA:s försvarsdepartement etablerade åtta regionala innovationshubbar inom Microelectronics Commons under 2022, till exempel North Carolinas Commercial Leap Ahead for Wide-Bandgap Semiconductors (CLAWS) Hub. Deras mål är att främja ekosystem som minimerar risken samtidigt som de stimulerar storskaliga privata investeringar i produktion med stor diameter och genombrottsteknik för att påskynda kommersialiseringen av halvledare med brett bandgap. Wolfspeed är verksamt inom detta ekosystem.
Coherent meddelade 2023 att de hade fått en investering på $1 miljarder från fordonsföretagen Mitsubishi Electric och Denso för att skapa ett vertikalt integrerat dotterbolag som ska tillverka SiC-substrat, epiwafers, kraftkomponenter och moduler från substratproduktion till moduldesign. Khan leder det nya dotterbolaget, vars fokus ligger på att engagera kunderna i varje steg - från tillverkning av substrat och epiwafers till design av enheter och moduler, med maximalt lärande som motto för verksamheten.
Högspänningssubstrat
I takt med att efterfrågan på krafthalvledare med brett bandgap ökar i applikationer som elfordon, växelriktare för förnybar energi och infrastruktur för smarta elnät måste tillverkarna säkerställa att deras komponenter klarar höga strömmar och spänningar utan att gå sönder. Substraten utgör ofta grunden för sådana enheter och måste kunna motstå höga spänningsnivåer i dessa utmanande miljöer för att förhindra att enheten går sönder.
Substrat är tunna skivor av monokristallint halvledarmaterial som används som grund för MOSFETs och IGBTs som ska konstrueras via epitaxiell tillväxt, vanligtvis med monokristallina SiC MOSFETs och IGBTs som finns i fordonsmoduler som ombordladdare, traktionsomvandlare och DC-DC-omvandlare som ett exempel. Kisel (Si) är ofta det föredragna substratmaterialet.
Under högre spänningar kan det metalliserade keramiska substratet dock få problem där det möter det inkapslande materialet - särskilt vid kanterna där de rör vid varandra. Denna interaktion utlöser en kraftig ökning av den elektriska fältstyrkan vilket resulterar i partiella urladdningar som till slut orsakar fel och kan utplåna din modul helt och hållet.
Nyligen har ett nytt substrat tagits fram för att lösa detta problem med högspänningsenheter. Genom att utnyttja kisel-på-isolator-tekniken - som består av polykristallina skikt som fästs på monokristallint SiC - möjliggör detta nya substrat tillverkning av AlN-metallhalvledarfälteffekttransistorer (MESFETs) utan att behöva komplexa återvunna eller graderade kontaktskikt, vilket ger utmärkta resultat för dräneringsmättnadsström och på/av-förhållande.
Swedish 
English