Billigare och renare kiselkarbid

Kiselkarbid är ett attraktivt material för elektronik som ska tåla hög effekt, hög frekvens och hög temperatur, till exempel i elbilar. Men tillverkningen är tidsödande och därmed dyrbar. Genom att tillsätta klorgas i processen kan man lösa problemet, enligt forskare vid Linköpings universitet som skrivit en översikt i tidskriften Chemical Reviews.

Forskningsavdelningen Halvledarmaterial vid LiU har arbetat med kiselkarbid (SiC) i 25 år och är nu världsledande på att framställa materialet med så kallad epitaxiell tillväxt. Tekniken har kommersialiserats av företaget Norstel med fabrik i Norrköping.
Nu är det dags för ett teknikskifte som kan sänka priset och öka användningen av materialet. Det handlar om att tillföra klor samtidigt med den kiselhaltiga silangasen och kolkällan i form av lätta kolväten.

– Priset är en av de faktorer som bromsat genomslaget för kiselkarbid, särskilt som kiselpriset pressats till en låg nivå, säger Henrik Pedersen, forskarassistent och huvudförfattare till artikeln som nu publiceras i Chemical Reviews – en tolvtaggare bland vetenskapliga tidskrifter.

Med den traditionella epitaximetoden bildar silangasen i gasmolnet den instabila föreningen SiH2. När man tillför klorgas bildas i stället SiCl2, en betydligt stabilare förening, vilket gör att man sätta upp farten utan att riskera att det bildas kiseldroppar som förstör ytan.
Först på kristallytan slås kolet ihop med kislet, och då avgår kloret som gasformigt klorväte (HCl). Detta måste tas omhand för att inte orsaka rost i apparaturen.

Att göra så ”tjocka” lager man eftersträvar, cirka 0,2 millimeter, tar normalt två dygn. Med klor i processen gör man det på en eftermiddag utan att materialkvaliteten försämras. Det betyder 20-faldigt minskade kostnader i värmeenergi, gas och slitage.
Kiselkarbid vinner över kisel i tillämpningar där det krävs hög elektrisk spänning, hög frekvens och hög temperatur. Ett aktuellt exempel är elbilar och elhybridbussar.

Men klormetoden har mött visst motstånd från tillverkarna, där det finns en oro för restprodukten HCl. Nu har emellertid det amerikanska elektronikföretaget Cree, som främst arbetar med belysning, implementerat metoden liksom Linköpingsforskarnas sydkoreanska samarbetspartner LG Electronics.

– Vi behöver forska vidare på vilken klorkemi som är den bästa och hur vi kan göra kiselkarbidtekniken ännu bättre och billigare, säger Henrik Pedersen.

Artikel: H. Pedersen, S. Leone, O. Kordina, A. Henry, S.-I. Nishizawa, Y. Koshka och E. Janzén. Chloride-based CVD growth of silicon carbide for electronic applications. Chemical Reviews Articles ASAP, 2 december 2011.

Kontakt:
Henrik Pedersen, 013-288983, 073-6911572, henke@ifm.liu.se
Semiconductor Materials Group