Parempaa piikarbidien tekniikkaa

Piikarbidi (SiC) on kiteinen materiaali, jota käytetään suurtehoelektroniikassa, kuten sähköajoneuvoissa ja puhtaan energian järjestelmissä. Toisin kuin muut kiteet, jotka voidaan kasvattaa sulattamalla materiaali ja jäähdyttämällä se kiinteäksi aineeksi, piikarbidia kasvatetaan fysikaalisen höyrykuljetuksen (PVT) avulla. Tässä prosessissa kiinteää piikarbidia kuumennetaan, kunnes se muuttuu suoraan höyryksi, joka sitten laskeutuu siemenkiteelle ja muodostaa suuremman kiteen.

Koska prosessi tapahtuu äärimmäisissä lämpötiloissa suljetun uunin sisällä, tutkijat eivät voi helposti havaita sublimaation alkuvaiheita, joissa kiinteä aine muuttuu suoraan höyryksi muuttumatta ensin nesteeksi, tai määrittää, mitä molekyylejä höyryssä on.

”Näiden äärimmäisten olosuhteiden vuoksi suora kokeellinen havainnointi suljetun PVT-uunin sisällä on lähes mahdotonta, mikä jättää kriittisen aukon ymmärrykseemme sublimaation alkuvaiheesta ja höyrydynamiikasta”, sanoo Yun Kyung Shin , Penn Staten tutkimusprofessori ja tutkimuksen päätekijä.

Tutkiakseen tätä piilevää prosessia tiimi tarkensi ReaxFF:iä, joka on lyhenne sanoista reaktiivisen voimakentän (reactive force field). Kyseessä on laskennallinen menetelmä, jonka oli yhdessä keksinyt ja kehittänyt Evan Pugh -yliopiston konetekniikan professori ja tutkimuksen vastaava kirjoittaja Adri van Duin.

Voimakenttä on pohjimmiltaan joukko matemaattisia sääntöjä, jotka laskevat atomien vuorovaikutussuhteita. ReaxFF voi myös simuloida kemiallisia reaktioita, jolloin tutkijat voivat seurata atomien liikkumista ja tarkkailla kemiallisten sidosten katkeamista ja muodostumista uudelleen ajan myötä.

Simulaatiot osoittivat myös, että höyryn koostumus muuttuu lämpötilan noustessa. Siemenkiteelle päätyvän piin ja hiilen seos – ja niiden suhde – voi vaikuttaa kiteen kasvuun. Liiaksi piitä sisältävä höyry voi edistää piipisaroiden tai suurten virheiden muodostumista siemenessä, kun taas liiallinen hiili voi edistää grafitisoitumista, muita virheitä tai ei-toivottua piikarbidikiderakennetta.

Tutkijoiden mukaan kehitetty ennustava mallinnus voi nopeuttaa seuraavan sukupolven laajakaistaisten puolijohteiden kehitystä.

Alan teollisuuden parissa Infineon Technologies on saavuttanut virstanpylvään maailman ensimmäisellä 300 millimetrin piikarbidi (SiC) –kiekolla. Aiemmin SiC-tehopiirejä valmistettiin 200 mm:n kiekoilta, mutta suurempi koko tarjoaa 2,3 kertaa enemmän tehosiruja kiekkoa kohden.

Aiheesta aiemmin:

Tehokkaampia ja luotettavampia piikarbidipiirejä

Uutta puhtia piikarbidille

Piikarbidi tulee