eng
В статье рассматриваются перспективные области применения, где возлагаются большие надежды на карбид кремния – старый материал, открытый заново..
В качестве технической керамики карбид кремния (SiC) на протяжении десятилетий широко использовался в подшипниках скольжения, насосах и горелках. Но на пути его применения в качестве полупровод-
ника долгое время стояли большие проблемы, связанные с выращиванием кристаллов. Как это часто бывает в технической сфере, проблемы в производстве и здесь блокировали технологический прорыв. Лишь несколько лет назад появились мощные производственные установки, такие как SiCube и
baSiC-T фирмы PVA TePla AG, способные обеспечить воспроизводимое и экономичное изготовление высокочистых кристаллов карбида кремния в нужном объеме (рис.1). С тех пор растет количество маркетинговых исследований, предсказывающих полупроводниковым соединениям блестящее будущее. Многие эксперты ожидают, что текущий объем рынка к 2020 году увеличится в восемь раз. Основание для таких оптимистичных прогнозов: карбид кремния обладает большим потенциалом использования в таких динамично развивающихся отраслях промышленности, как выработка экологически чистой электроэнергии, производство электромобилей и светотехника, и значительно превосходит в этих перспективных сферах кремний.
ФАНТАСТИЧЕСКИЙ КОЭФФИЦИЕНТ
ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ
Достоинства карбида кремния особенно хорошо заметны на примере производства энергии из возобновляемых источников. Фотогальванические или ветроэнергетические установки производят только постоянный ток, для подачи в электросеть его необходимо преобразовать в переменный. Эту функцию выполняют кремниевые приборы, используемые в инверторах. Такими модулями оснащены фотогальванические установки каждой частной компании, производящей электроэнергию. При этом КПД инверторов, как и любого технического конструктивного элемента, не достигают 100% в связи с потерями на преобразование. В системах на основе кремния КПД, как правило, составляет 50–70%. Когда в 2008 году Институт систем солнечной энергетики им.Фраунгофера (ISE) сообщил, что использование элементов на основе карбида кремния поможет увеличить КДП до 98,5%, все местные инвесторы ветроэнергетических и фотогальванических установок радостно потирали руки. Ведь в самом благоприятном случае это означало увеличение фактического дохода почти в два раза. С физической точки зрения высокая эффективность преобразования тока объясняется в три раза большей шириной запрещенной зоны карбида кремния в сравнении с кремнием. Благодаря этому в значительной степени блокируются нежелательные, снижающие КПД переходы электронов между двумя зонами, например, за счет туннельного эффекта. Таким образом, потери мощности при этом не происходит (рис.2).
"НЕ ТЕРЯЕТ ГОЛОВУ НА ХОЛОДЕ"
Еще одно достоинство карбида кремния – его высокая термостойкость и теплопроводность. Если кремний плавится при температуре около 1400°C, то карбид кремния выдерживает почти в два раза более высокую температуру. Поэтому тончайшие полупроводниковые структуры на кристаллах карбида кремния на практике могут преобразовывать ток более высокой плотности. Кроме того, одновременно сокращаются затраты на охлаждение. Высоковольтные элементы на основе карбида кремния надежно работают даже при рабочих температурах более 250°C. Во многих областях применения это дает огромные преимущества: например, при эксплуатации ветроэнергетических установок можно, наконец, в нормальных производственных условиях преобразовывать многие сотни киловатт электрической мощности. Поэтому при плановой модернизации электрических сетей высоковольтные элементы на основе карбида кремния пользуются приоритетом. Они позволяют создавать значительно более эффективные, дешевые и компактные электрические схемы.
ДА БУДЕТ СВЕТ!
С коммерческой точки зрения все внимание приковано к белым светодиодам на основе карбида кремния. Просто потрясающая сила света при минимальном расходе энергии почти всегда объясняется свойствами этого полупроводникового материала. Светоотдача чипов светодиодов на основе карбида кремния/нитрида кремния значительно превышает 100 лм/Вт (в лабораторных условиях до
200 лм/Вт), что в десять раз выше, чем у традиционных ламп накаливания. Но вначале широкому признанию светодиодов препятствовал их холодный, синевато-белый свет. Однако благодаря нанесению слоев фосфора удалось получить ступенчато регулируемые оттенки белого света – от теплого белого до почти дневного уровня. Таким образом, светодиодная техника в последние годы все шире используется не только в прожекторах для освещения массовых мероприятий, но и в жилых помещениях. Экономия до 90% электроэнергии и почти неограниченный срок службы являются решающими аргументами в пользу их приобретения.
КЛЮЧЕВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
В ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВАХ
"Привод" – ключевое слово для еще одной области, где карбид кремния находит все более широкое применение. Транспортные средства с электроприводом, все электромобили и гибридные автомобили – везде требуется силовой преобразователь. Он управляет электродвигателем и тем самым, аналогично системам управления двигателем внутреннего сгорания в традиционных в автомобилях, оказывает решающее влияние на ходовые качества электромобилей. Одновременно он подает регенерированную энергию в аккумулятор при торможении (рекуперация), поэтому запас хода транспортного средства в значительной степени зависит от эффективности этого агрегата. Здесь используются те же достоинства карбида кремния, что и для фотогальванических установок: высокая частота переключения, незначительные потери, снижение массы за счет уменьшения потребности в охлаждении и, следовательно, малогабаритная, компактная конструкция. Все эти критерии являются основными в автомобилестроении. Такие выпрямители тока почти на 25% меньше и легче, чем их кремниевые конкуренты. Благодаря КПД более 95% модули преобразователей на основе карбида ремния, установленные в легковых автомобилях и автобусах, уже сегодня позволяют достичь экономии энергии в отрасли около 60%!
ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТ – МЕГАТРЕНД
Эксперты уже давно пришли к единому мнению, что электротранспорту принадлежит будущее. Матиас Виссманн, президент Ассоциации автопроизводителей Германии (VDA), на Международном автосалоне (IAA) во Франкфурте недавно заявил, что уже к концу 2014 года число серийных моделей с гибридным или чисто электрическим приводом с маркировкой "Сделано в Германии" увеличится до 16. Ведущую роль в этой сфере отводит Германии и Международная консалтинговая компания по вопросам управления McKinsey. По мнению экспертов, в 2018 году в стране сойдут с конвейера 370 тыс. электромобилей. С большим отрывом за Германией последуют США и Франция. Но основной производственной площадкой, по прогнозам экспертов, станет Япония, где выпуск таких транспортных средств достигнет почти 950 тыс. единиц. Кроме автомобилей, огромные перспективы открывает рынок электрического рельсового транспорта.
ОЧЕНЬ СЛОЖНОЕ ПРОИЗВОДСТВО
У любого человека, прочитавшего об убедительных достоинствах карбида кремния, обязательно возникнет вопрос: почему этому далеко не новому материалу удалось добиться успеха на рынке полупроводниковых приборов только в последние десять лет? На самом деле в течение длительного времени этот успех тормозили проблемы производства. В качестве технической керамики карбид кремния получают путем простой агломерации – спрессовывания порошка под очень высоким давлением и при высокой температуре. Эта технология достаточно проста и широко распространена. Но получить первый кристаллический материал, пригодный для использования в полупроводниковой технике, удалось лишь в 1977 году. До середины девяностых годов продолжался процесс совершенствования технологии, в результате чего стало возможным изготовление кристаллов диаметром 3 дюйма (75 мм) в достаточно больших количествах. Но для большинства областей применения они были все еще слишком дорогими.
НА СТАРТ С ДВУМЯ ТИПАМИ УСТАНОВОК
Сегодня стандартом являются 4- и 6-дюймовые (100- и 150-мм) установки. В зависимости от области применения, из монокристаллических слитков длиной до 3 см можно вырезать от 20 до 40 пластин. Компания PVA TePla AG представляет на этом растущем рынке установки двух типов. Наряду с установкой SiCube, в 2013 году была внедрена модель baSiC-T, созданная специально с учетом современных условий применения и требований в области силовой электроники (рис.4). Она работает по методу PVT (физический перенос из газовой фазы) и позволяет производить кристаллы SiC диаметром до 6 дюймов (150 мм). При этом высококачественные кристаллы карбида кремния создаются за счет сублимации исходного порошка при высоких температурах. Достоинства установки baSiC-T – модульная конструкция, низкие эксплуатационные расходы и высокая степень автоматизации. Это уже оценили многие клиенты в Европе и Азии.
* * *
Почти 40% всего энергопотребления приходится на электрическую энергию. Львиную долю (около 50%) потребляют электроприводы. За ними следуют светотехнические установки, системы отопления и охлаждения, а также информационные технологии, доля которых соответственно равна 19, 16 и 14%. Перспектива значительного сокращения энергопотребления за счет использования усовершенствованных материалов, например карбида кремния, разумеется, способствует росту спроса на него. Кроме того, карбид кремния успешно применяется на всех растущих рынках: возобновляемые источники энергии, "умные" электросети, электромобили и светодиодная техника. Эти мегатенденции, безусловно, сохранят свои ведущие позиции и в будущем. Их "двигателем" является рост цен на электроэнергию. Поэтому неудивительно, что специалисты прогнозируют рост рынка карбида кремния в следующем десятилетии почти в десять раз. В долгосрочной перспективе такие установки, как baSiC-T или SiCube компании PVA TePla AG, будут применяться для экономичного производства пользующегося спросом материала.
ника долгое время стояли большие проблемы, связанные с выращиванием кристаллов. Как это часто бывает в технической сфере, проблемы в производстве и здесь блокировали технологический прорыв. Лишь несколько лет назад появились мощные производственные установки, такие как SiCube и
baSiC-T фирмы PVA TePla AG, способные обеспечить воспроизводимое и экономичное изготовление высокочистых кристаллов карбида кремния в нужном объеме (рис.1). С тех пор растет количество маркетинговых исследований, предсказывающих полупроводниковым соединениям блестящее будущее. Многие эксперты ожидают, что текущий объем рынка к 2020 году увеличится в восемь раз. Основание для таких оптимистичных прогнозов: карбид кремния обладает большим потенциалом использования в таких динамично развивающихся отраслях промышленности, как выработка экологически чистой электроэнергии, производство электромобилей и светотехника, и значительно превосходит в этих перспективных сферах кремний.
ФАНТАСТИЧЕСКИЙ КОЭФФИЦИЕНТ
ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ
Достоинства карбида кремния особенно хорошо заметны на примере производства энергии из возобновляемых источников. Фотогальванические или ветроэнергетические установки производят только постоянный ток, для подачи в электросеть его необходимо преобразовать в переменный. Эту функцию выполняют кремниевые приборы, используемые в инверторах. Такими модулями оснащены фотогальванические установки каждой частной компании, производящей электроэнергию. При этом КПД инверторов, как и любого технического конструктивного элемента, не достигают 100% в связи с потерями на преобразование. В системах на основе кремния КПД, как правило, составляет 50–70%. Когда в 2008 году Институт систем солнечной энергетики им.Фраунгофера (ISE) сообщил, что использование элементов на основе карбида кремния поможет увеличить КДП до 98,5%, все местные инвесторы ветроэнергетических и фотогальванических установок радостно потирали руки. Ведь в самом благоприятном случае это означало увеличение фактического дохода почти в два раза. С физической точки зрения высокая эффективность преобразования тока объясняется в три раза большей шириной запрещенной зоны карбида кремния в сравнении с кремнием. Благодаря этому в значительной степени блокируются нежелательные, снижающие КПД переходы электронов между двумя зонами, например, за счет туннельного эффекта. Таким образом, потери мощности при этом не происходит (рис.2).
"НЕ ТЕРЯЕТ ГОЛОВУ НА ХОЛОДЕ"
Еще одно достоинство карбида кремния – его высокая термостойкость и теплопроводность. Если кремний плавится при температуре около 1400°C, то карбид кремния выдерживает почти в два раза более высокую температуру. Поэтому тончайшие полупроводниковые структуры на кристаллах карбида кремния на практике могут преобразовывать ток более высокой плотности. Кроме того, одновременно сокращаются затраты на охлаждение. Высоковольтные элементы на основе карбида кремния надежно работают даже при рабочих температурах более 250°C. Во многих областях применения это дает огромные преимущества: например, при эксплуатации ветроэнергетических установок можно, наконец, в нормальных производственных условиях преобразовывать многие сотни киловатт электрической мощности. Поэтому при плановой модернизации электрических сетей высоковольтные элементы на основе карбида кремния пользуются приоритетом. Они позволяют создавать значительно более эффективные, дешевые и компактные электрические схемы.
ДА БУДЕТ СВЕТ!
С коммерческой точки зрения все внимание приковано к белым светодиодам на основе карбида кремния. Просто потрясающая сила света при минимальном расходе энергии почти всегда объясняется свойствами этого полупроводникового материала. Светоотдача чипов светодиодов на основе карбида кремния/нитрида кремния значительно превышает 100 лм/Вт (в лабораторных условиях до
200 лм/Вт), что в десять раз выше, чем у традиционных ламп накаливания. Но вначале широкому признанию светодиодов препятствовал их холодный, синевато-белый свет. Однако благодаря нанесению слоев фосфора удалось получить ступенчато регулируемые оттенки белого света – от теплого белого до почти дневного уровня. Таким образом, светодиодная техника в последние годы все шире используется не только в прожекторах для освещения массовых мероприятий, но и в жилых помещениях. Экономия до 90% электроэнергии и почти неограниченный срок службы являются решающими аргументами в пользу их приобретения.
КЛЮЧЕВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
В ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВАХ
"Привод" – ключевое слово для еще одной области, где карбид кремния находит все более широкое применение. Транспортные средства с электроприводом, все электромобили и гибридные автомобили – везде требуется силовой преобразователь. Он управляет электродвигателем и тем самым, аналогично системам управления двигателем внутреннего сгорания в традиционных в автомобилях, оказывает решающее влияние на ходовые качества электромобилей. Одновременно он подает регенерированную энергию в аккумулятор при торможении (рекуперация), поэтому запас хода транспортного средства в значительной степени зависит от эффективности этого агрегата. Здесь используются те же достоинства карбида кремния, что и для фотогальванических установок: высокая частота переключения, незначительные потери, снижение массы за счет уменьшения потребности в охлаждении и, следовательно, малогабаритная, компактная конструкция. Все эти критерии являются основными в автомобилестроении. Такие выпрямители тока почти на 25% меньше и легче, чем их кремниевые конкуренты. Благодаря КПД более 95% модули преобразователей на основе карбида ремния, установленные в легковых автомобилях и автобусах, уже сегодня позволяют достичь экономии энергии в отрасли около 60%!
ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТ – МЕГАТРЕНД
Эксперты уже давно пришли к единому мнению, что электротранспорту принадлежит будущее. Матиас Виссманн, президент Ассоциации автопроизводителей Германии (VDA), на Международном автосалоне (IAA) во Франкфурте недавно заявил, что уже к концу 2014 года число серийных моделей с гибридным или чисто электрическим приводом с маркировкой "Сделано в Германии" увеличится до 16. Ведущую роль в этой сфере отводит Германии и Международная консалтинговая компания по вопросам управления McKinsey. По мнению экспертов, в 2018 году в стране сойдут с конвейера 370 тыс. электромобилей. С большим отрывом за Германией последуют США и Франция. Но основной производственной площадкой, по прогнозам экспертов, станет Япония, где выпуск таких транспортных средств достигнет почти 950 тыс. единиц. Кроме автомобилей, огромные перспективы открывает рынок электрического рельсового транспорта.
ОЧЕНЬ СЛОЖНОЕ ПРОИЗВОДСТВО
У любого человека, прочитавшего об убедительных достоинствах карбида кремния, обязательно возникнет вопрос: почему этому далеко не новому материалу удалось добиться успеха на рынке полупроводниковых приборов только в последние десять лет? На самом деле в течение длительного времени этот успех тормозили проблемы производства. В качестве технической керамики карбид кремния получают путем простой агломерации – спрессовывания порошка под очень высоким давлением и при высокой температуре. Эта технология достаточно проста и широко распространена. Но получить первый кристаллический материал, пригодный для использования в полупроводниковой технике, удалось лишь в 1977 году. До середины девяностых годов продолжался процесс совершенствования технологии, в результате чего стало возможным изготовление кристаллов диаметром 3 дюйма (75 мм) в достаточно больших количествах. Но для большинства областей применения они были все еще слишком дорогими.
НА СТАРТ С ДВУМЯ ТИПАМИ УСТАНОВОК
Сегодня стандартом являются 4- и 6-дюймовые (100- и 150-мм) установки. В зависимости от области применения, из монокристаллических слитков длиной до 3 см можно вырезать от 20 до 40 пластин. Компания PVA TePla AG представляет на этом растущем рынке установки двух типов. Наряду с установкой SiCube, в 2013 году была внедрена модель baSiC-T, созданная специально с учетом современных условий применения и требований в области силовой электроники (рис.4). Она работает по методу PVT (физический перенос из газовой фазы) и позволяет производить кристаллы SiC диаметром до 6 дюймов (150 мм). При этом высококачественные кристаллы карбида кремния создаются за счет сублимации исходного порошка при высоких температурах. Достоинства установки baSiC-T – модульная конструкция, низкие эксплуатационные расходы и высокая степень автоматизации. Это уже оценили многие клиенты в Европе и Азии.
* * *
Почти 40% всего энергопотребления приходится на электрическую энергию. Львиную долю (около 50%) потребляют электроприводы. За ними следуют светотехнические установки, системы отопления и охлаждения, а также информационные технологии, доля которых соответственно равна 19, 16 и 14%. Перспектива значительного сокращения энергопотребления за счет использования усовершенствованных материалов, например карбида кремния, разумеется, способствует росту спроса на него. Кроме того, карбид кремния успешно применяется на всех растущих рынках: возобновляемые источники энергии, "умные" электросети, электромобили и светодиодная техника. Эти мегатенденции, безусловно, сохранят свои ведущие позиции и в будущем. Их "двигателем" является рост цен на электроэнергию. Поэтому неудивительно, что специалисты прогнозируют рост рынка карбида кремния в следующем десятилетии почти в десять раз. В долгосрочной перспективе такие установки, как baSiC-T или SiCube компании PVA TePla AG, будут применяться для экономичного производства пользующегося спросом материала.
Отзывы читателей
