Tsunenobu Kimoto is een leider in de productie van elektrische apparaten

Voor zijn bijdragen aan siliciumcarbidematerialen en energieapparaten heeft een IEEE Fellow dit jaar de IEEE Andrew S. Grove Award ontvangen, gesponsord door de IEEE Electron Devices Society.

Het bescheiden begin van siliciumcarbide

Tientallen jaren voordat de Tesla Model 3 met een SiC-omvormer van de lopende band rolde, voorzag een klein groepje onderzoekers, waaronder Kimot, de belofte van siliciumcarbidetechnologie. Ze bestudeerden het in het donker en perfectioneerden technieken om vermogenstransistoren te produceren met eigenschappen die superieur zijn aan die van de siliciumapparaten die toen algemeen werden gebruikt.

Tegenwoordig verminderen MOSFET’s en andere siliciumcarbide-transistors de verliezen in de aan-toestand en de schakelverliezen in stroomconversiesystemen aanzienlijk, zoals omvormers in elektrische voertuigen die worden gebruikt om de gelijkstroom van de batterij om te zetten in de wisselstroom die de motor aandrijft. Lagere schakelverliezen maken voertuigen efficiënter, waardoor de omvang en het gewicht van hun vermogenselektronica afnemen en de prestaties van de aandrijflijn verbeteren. Op siliciumcarbide gebaseerde laders, die wisselstroom omzetten in gelijkstroom, bieden vergelijkbare efficiëntieverbeteringen.

Maar die hulpmiddelen zijn niet zomaar verschenen. “We moesten eerst basistechnieken ontwikkelen, zoals dopingmaterialen, om n-type en p-type halfgeleiderkristallen te maken”, zegt Kimoto. NDe atomaire structuren van kristallen van het -type zijn zo gerangschikt dat elektronen met hun negatieve lading vrij door het rooster van het materiaal kunnen bewegen. In tegenstelling tot atomaire rangschikking P-kristaltype’ bevat positief geladen gaten.

Kimotto’s interesse in siliciumcarbide begon toen hij werkte aan zijn Ph.D. aan de Universiteit van Kyoto in 1990.

“Destijds werkten niet veel mensen aan siliciumcarbide-apparaten”, zegt hij. “En voor degenen die dat wel waren, was het belangrijkste doelwit van siliciumcarbide de blauwe LED.

“Er was nauwelijks interesse in voedingsapparaten van siliciumcarbide, zoals MOSFET’s en Schottky-barrièrediodes.”

Kimoto begon met onderzoeken hoe SiC gebruikt kon worden als basis voor een blauwe LED. Maar toen las hij het artikel uit 1989 van B. Jayant Baliga “Power Semiconductor Device Figure of Merit for High-Frequency Applications” in IEEE Electron Device-brievenen woonde een presentatie bij van Baliga, winnaar van de IEEE Medal of Honor 2014, over dit onderwerp.

“Ik was ervan overtuigd dat siliciumcarbide veelbelovend was voor energie-apparaten”, zegt Kimoto. “Het probleem was dat we niet over de tegels en het substraatmateriaal beschikten”, zonder welke het onmogelijk was om de apparaten commercieel te produceren.

Om siliciumcarbide-energie-apparaten te krijgen, “moesten onderzoekers zoals ik basistechnologie ontwikkelen, zoals hoe het materiaal wordt benaderd om P-typ ik N-het kristaltype”, zegt hij. “Er was ook de kwestie van het vormen van hoogwaardige oxiden op het siliciumcarbide.” Siliciumdioxide wordt in MOSFET’s gebruikt om de poort te isoleren en te voorkomen dat elektronen erin stromen.

De eerste uitdaging die Kimoto aanging was de productie van zuivere siliciumcarbidekristallen. Hij besloot te beginnen met carborundum, een vorm van siliciumcarbide die veel als schuurmiddel wordt gebruikt. Kimoto nam wat fabrieksafvalmateriaal – kleine siliciumcarbidekristallen van ongeveer 5 millimeter bij 8 mm groot – en polijstte ze.

Hij onthulde dat hij zwaar gedoteerd was N– soort kristal. Maar hij besefte dat hij slechts zwaar gedoteerd was N-type SiC zou van weinig nut zijn in energietoepassingen, tenzij het ook licht gedoteerd (hoge zuiverheid) zou kunnen produceren N-typ ik P-type SiC.

Door twee soorten materialen samen te voegen, ontstaat een uitputtingsgebied dat zich uitstrekt over de kruising waar het zich bevindt N-typ ik P-type zijden ontmoeten elkaar. In dit gebied gaan vrije, mobiele ladingen verloren als gevolg van diffusie en recombinatie met hun tegengestelde lading, en wordt een elektrisch veld tot stand gebracht dat kan worden gebruikt om de ladingsstroom over de grens te controleren.

“Siliciumcarbide is een familie met heel veel broers.”

Met behulp van een gevestigde techniek, chemische dampafzetting, kon Kimoto hoogzuiver siliciumcarbide kweken. De techniek laat SiC groeien als een laag op een substraat door gassen in een reactiekamer te introduceren.

Destijds waren siliciumcarbide, galliumnitride en zinkselenide allemaal kanshebbers in de race om een ​​praktische blauwe LED te produceren. Siliciumcarbide had volgens Kimoto maar één voordeel: het was relatief eenvoudig om siliciumcarbide te maken P–N verbinding. Creatie P–N kruispunten waren nog steeds moeilijk te doen met de andere twee opties.

Begin jaren negentig werd het duidelijk dat SiC de blauwe LED-sweepstakes echter niet zou winnen. De onontkoombare realiteit van de natuurwetten overweldigde de overtuiging van SiC-onderzoekers dat ze op de een of andere manier de inherente eigenschappen van het materiaal konden overwinnen. SiC heeft een zogenaamde indirecte bandstructuur, dus wanneer ladingsdragers worden geïnjecteerd, is de kans dat de ladingen opnieuw combineren en fotonen uitzenden laag, wat leidt tot een slechte efficiëntie als lichtbron.

Hoewel het streven naar blauwe LED’s de krantenkoppen haalt, zijn er veel onopvallende vorderingen gemaakt met het gebruik van SiC voor voedingsapparaten. In 1993 demonstreerde een team onder leiding van Kimota en Hiroyuki Matsunami de eerste 1100 volt siliciumcarbide Schottky-diodes, die ze beschreven in een artikel in IEEE Electron Device-brieven. De diodes die door het team en anderen werden geproduceerd, maakten een snelle schakeling mogelijk die niet mogelijk was met siliciumdiodes.

‘Met silicium P–N diodes’, zegt Kimoto, ‘hebben we ongeveer een halve microseconde nodig om te schakelen. Maar met siliciumcarbide duurt het slechts 10 nanoseconden.”

De mogelijkheid om apparaten snel aan en uit te zetten maakt voedingen en omvormers efficiënter omdat ze minder energie in de vorm van warmte verbruiken. Hogere efficiëntie en minder warmte zorgen ook voor ontwerpen die kleiner en lichter zijn. Dat is een groot probleem voor elektrische voertuigen, waar minder gewicht minder energieverbruik betekent.

De tweede doorbraak van Kimot was het identificeren van welke vorm van siliciumcarbidemateriaal het meest bruikbaar zou zijn voor elektronische toepassingen.

“Siliciumcarbide is een familie met heel veel broers”, zegt Kimoto, en merkt op dat er meer dan 100 varianten zijn met verschillende atomaire structuren van silicium en koolstof.

Siliciumcarbide van het 6H-type was de standaardstandaardfase die werd gebruikt door onderzoekers die zich op blauwe LED’s richtten, maar Kimoto ontdekte dat het 4H-type veel betere eigenschappen heeft voor elektrische apparaten, waaronder een hoge elektronenmobiliteit. Nu worden alle siliciumcarbide-voedings- en waferproducten vervaardigd met het 4H-type.

Siliciumcarbide-energieapparaten in elektrische voertuigen kunnen de energie-efficiëntie met ongeveer 10 procent verbeteren in vergelijking met silicium, zegt Kimoto. In elektrische treinen, zegt hij, kan het vermogen dat nodig is om de auto’s aan te drijven met 30 procent worden verminderd in vergelijking met treinen die op silicium gebaseerde energieapparaten gebruiken.

Er blijven uitdagingen bestaan, geeft hij toe. Hoewel siliciumcarbide-vermogenstransistors worden gebruikt in Tesla, andere elektrische voertuigen en elektrische treinen, zijn hun prestaties nog steeds verre van ideaal vanwege defecten aan de siliciumdioxide-SiC-interface, zegt hij. Interfacedefecten verminderen de prestaties en betrouwbaarheid van op MOS gebaseerde transistors, dus Kimoto en anderen werken eraan om de defecten te verminderen.

Toen Kimoto enig kind was en opgroeide in Wakayama, Japan, in de buurt van Osaka, stonden zijn ouders erop dat hij medicijnen ging studeren en verwachtten ze dat hij als volwassene bij hen zou wonen. Zijn vader was arbeider in een kledingfabriek; zijn moeder was huisvrouw. Zijn verhuizing naar Kyoto om techniek te studeren ‘stelde hen in beide opzichten teleur’, zegt hij.

Zijn interesse in techniek, zo herinnert hij zich, werd aangewakkerd toen hij op de middelbare school zat en Japan en de Verenigde Staten streden om de macht in de halfgeleiderindustrie.

Hij studeerde in 1986 af aan de Universiteit van Kyoto met een bachelor- en masterdiploma in elektrotechniek. en 1988. Na zijn afstuderen kreeg hij een baan bij het Sumitomo Electric Industries R&D Center in Itami. Daar werkte hij met materialen op siliciumbasis, maar was niet tevreden met de onderzoeksmogelijkheden van het centrum.

Hij keerde in 1990 terug naar de Universiteit van Kyoto om een ​​Ph.D. Door vermogenselektronica en apparaten voor hoge temperaturen te bestuderen, kreeg hij ook inzicht in materiaaldefecten, defecten, mobiliteit en luminescentie.

“Mijn ervaring bij het bedrijf was erg waardevol, maar ik wilde niet meer terug de industrie in”, zegt hij. Tegen de tijd dat hij in 1996 promoveerde, nam de universiteit hem in dienst als onderzoeksmedewerker.

Sindsdien is hij er altijd geweest en heeft hij innovaties gecreëerd die ertoe hebben bijgedragen dat siliciumcarbide een onmisbaar onderdeel van het moderne leven is geworden.

Groei van de siliciumcarbidegemeenschap bij IEEE

Kimoto sloot zich eind jaren negentig aan bij IEEE. Als actieve vrijwilliger heeft hij bijgedragen aan de ontwikkeling van de wereldwijde siliciumcarbidegemeenschap.

Hij is redacteur IEEE-transacties op elektronische apparatenen heeft zitting gehad in programmacommissies voor conferenties, waaronder het International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs en de IEEE Workshop on Power Devices and Broadband Applications.

“Als we nu een siliciumcarbideconferentie houden, komen er meer dan duizend mensen samen”, zegt hij. “Op IEEE-conferenties zoals de International Meeting on Electronic Devices of ISPSD zien we altijd verschillende goed bezochte sessies over siliciumcarbide-energieapparatuur, omdat meer IEEE-leden nu aandacht besteden aan het veld.”