Wat zijn de redenen waarom halfgeleidermaterialen op basis van siliciumcarbide (SiC) een veelbelovende toekomst hebben?

Ze zijn klein, krachtig en uiterst efficiënt: halfgeleiders gemaakt van siliciumcarbide kunnen de vermogenselektronica in batterijen en sensoren naar een hoger niveau tillen – en zo een belangrijke bijdrage leveren aan doorbraken in elektrische voertuigen en de digitalisering van de industrie ondersteunen.  
   
 

Halfgeleiders gemaakt van siliciumcarbide (SiC) verwerken elektriciteit efficiënter dan traditionele halfgeleiders in een aantal belangrijke toepassingen. Deze nieuwe technologie is daarom van bijzonder belang voor fabrikanten van elektrische voertuigen: dankzij het gebruik van SiC-halfgeleiders zorgt een verbeterde batterijregeling voor energiebesparing, waardoor de levensduur van elektrische voertuigen aanzienlijk wordt verlengd. SiC-halfgeleiders maken ook sneller opladen mogelijk. Tegenwoordig zitten er al veel halfgeleiders in elke elektrische auto. In de toekomst zullen met name SiC-conversiechips opkomen vanwege hun voordelen op het gebied van schakelsnelheid, warmteverlies en compact formaat. Ook andere bedrijven, zoals aanbieders van mobiele netwerken, smartphonefabrikanten en de automatiseringsindustrie, hebben hoge verwachtingen van deze microchips.
 

Voordelen en toepassingen van SiC-halfgeleiders    
   

10 keer

Vergeleken met traditionele siliciumhalfgeleiders kunnen SiC-vermogenselektronicahalfgeleiders uit veel kleinere materialen worden gemaakt. Dit is mogelijk omdat ze een grotere bandbreedte hebben, waardoor ze elektrische energie met minder warmteverlies kunnen omzetten. Siliciumhalfgeleiders moeten veel groter zijn om dezelfde prestaties te bereiken.

 
 

Korting tot wel 50%

In siliciumcarbide (SiC) halfgeleiders treden warmteverliezen op in vergelijking met conventionele halfgeleiders van silicium. Daarom is vermogenselektronica, oftewel de omzetting van elektrische energie in een vorm die bruikbaar is voor apparaten, een belangrijk toepassingsgebied voor SiC-halfgeleiders. Bij een laptop bijvoorbeeld, is de halfgeleider verborgen in de transformator van de oplader. Tot nu toe werden hiervoor voornamelijk siliciumhalfgeleiders gebruikt, maar deze geven veel energie af als warmte. Door siliciumcarbide (SiC) halfgeleiders te gebruiken, worden de warmteverliezen aanzienlijk verminderd en is er meer energie beschikbaar voor het opladen.  
 
 
  300–500%  

SiC-transistoren kunnen ook een hogere schakelfrequentie hebben dan siliciumtransistoren. Dit is nog een reden waarom SiC-halfgeleiders gebruikt kunnen worden om componenten van aanzienlijk kleinere afmetingen te maken.  
 
 
 

10% tot 15%

SiC-halfgeleiders zouden een grotere actieradius voor elektrische voertuigen mogelijk kunnen maken, omdat ze energie efficiënter kunnen omzetten. Hierdoor kunnen autofabrikanten kleinere accu's in hun elektrische voertuigen installeren. Dit is een win-winsituatie voor fabrikanten en kan de industrie een impuls geven.

 
 

Geschikt voor moderne 5G-technologie

SiC-halfgeleiders zijn ook ideaal. Ultrasnelle netwerken vereisen enorme hoeveelheden energie en prestaties, met name van infrastructuurcomponenten zoals zendstations. Om smartphones sneller op te laden, zouden fabrikanten in de toekomst SiC-halfgeleiders kunnen gebruiken. Bovendien zijn de nieuwe halfgeleiders ideaal voor draadloze opladers en servers in datacenters.  
 
 

Oneindige mogelijkheden

SiC-halfgeleiders maken de weg vrij voor de digitalisering van industriële processen. Processen die bijvoorbeeld bijzonder hoge snelheden van vermogenselektronica vereisen, kunnen beter worden ondersteund met snellere sensorsystemen. Het gebruik van 5G-gestuurde mobiele apparaten op basis van SiC-halfgeleiders biedt ook grote mogelijkheden voor verdere optimalisatie van Industrie 4.0.

 

$ 412 miljard

De omzet van de gehele halfgeleiderindustrie vorig jaar. SiC-halfgeleiders blijven een nicheproduct, met een omzet van ongeveer 500 miljoen dollar. Experts verwachten echter dat elektrische voertuigen de omzet snel zullen laten groeien, met 10% tot 25% per jaar tussen 2020 en 2022, en met meer dan 40% in 2023.  
 
In principe zijn alle halfgeleiders gemaakt van kristallen, die op hun beurt worden vervaardigd uit poeder (zoals silicium of siliciumcarbide) bij zeer hoge temperaturen. De kristallen worden vervolgens in dunne plakjes gesneden, wafers genaamd. Op deze wafers kunnen zeer complexe elektronische schakelingen worden aangebracht, waarmee uiteindelijk micro-elektronische apparaten worden gevormd.  Productie van nieuwe SiC-halfgeleidermaterialen  
  meer dan 50 jaar  
Er is veel onderzoek gedaan naar de productie van siliciumcarbide-halfgeleiders en de groei van siliciumcarbidekristallen. De groei van siliciumcarbidekristallen gebeurt voornamelijk via het fysische damptransportproces (PVT). Bij hoge temperaturen en lage drukken worden kleine siliciumcarbidekristallen gevormd. De deeltjes passeren een draaggas naar een koeler zaadkristal, waar kristallisatie plaatsvindt als gevolg van oververzadiging.

 

2400 graden Celsius

Het is noodzakelijk voor het groeiproces van siliciumcarbide-eenkristallen. Conventionele siliciumkristallen vereisen daarentegen slechts temperaturen van ongeveer 1,500 graden.

 

10 om 14 dagen

Dit is de tijd die nodig is om siliciumcarbidekristallen in de oven te laten groeien. Dit, samen met een aanzienlijk hoger energieverbruik, is een van de redenen waarom ze duurder zijn dan gewone siliciumkristallen, die in twee dagen kunnen worden gekweekt.

 

diameter 150mm

Dit is de grootte van recente siliciumcarbide wafers. Binnenkort zullen SiC-wafers met een diameter van 200 mm op industriële schaal worden geproduceerd. Op dat moment zullen ze qua formaat voldoen aan de normen van de "traditionele" siliciumindustrie, wat een doorbraak zal betekenen voor op SiC gebaseerde elektronische producten.