Tsunenobu Kimoto ist führend im Bereich Elektrogeräte

Für seine Beiträge zu Siliziumkarbidmaterialien und elektrischen Geräten erhielt das IEEE-Mitglied den diesjährigen IEEE Andrew S. Grove Award, gesponsert von der IEEE Electron Devices Society.

Die bescheidenen Anfänge von Siliziumkarbid

Jahrzehnte bevor ein Tesla Model 3 mit einem SiC-Wechselrichter vom Band lief, sah eine kleine Gruppe von Forschern, darunter Kimoto, das Versprechen der Siliziumkarbid-Technologie voraus. Im Verborgenen untersuchten sie es und perfektionierten Techniken zur Herstellung von Leistungstransistoren mit Eigenschaften, die denen der damals üblicherweise verwendeten Siliziumbauelemente überlegen waren.

Heutzutage reduzieren MOSFETs und andere Siliziumkarbid-Transistoren die Durchlassverluste und Schaltverluste in Stromumwandlungssystemen erheblich, beispielsweise in den Wechselrichtern eines Elektrofahrzeugs, die zur Umwandlung von Gleichstrom aus der Wechselstrombatterie, die den Motor antreibt, verwendet werden. Geringere Schaltverluste machen Fahrzeuge effizienter, indem sie die Größe und das Gewicht ihrer Leistungselektronik reduzieren und die Leistung des Antriebsstrangs verbessern. Ladegeräte auf Siliziumkarbidbasis, die Wechselstrom in Gleichstrom umwandeln, bieten ähnliche Effizienzverbesserungen.

Aber diese Tools sind nicht einfach so entstanden. „Zuerst mussten wir grundlegende Techniken entwickeln, etwa wie man das Material dotiert, um N- und P-Typ-Halbleiterkristalle herzustellen“, sagt Kimoto. NICHTDie atomaren Strukturen vom Typ Kristalle sind so angeordnet, dass sich Elektronen mit ihren negativen Ladungen frei durch das Gitter des Materials bewegen können. Umgekehrt ist die atomare Anordnung von PKristalle vom Typ „enthalten positiv geladene Löcher“.

Kimotos Interesse an Siliziumkarbid begann während seiner Doktorarbeit. 1990 an der Universität Kyoto.

„Damals beschäftigten sich nicht viele Leute mit Geräten aus Siliziumkarbid“, erklärt er. „Und für diejenigen, die es waren, war das Hauptziel für Siliziumkarbid die blaue LED.

„Es gab fast kein Interesse an Siliziumkarbid-Leistungsbauelementen wie MOSFETs und Schottky-Dioden.“

Kimoto untersuchte zunächst, wie SiC als Basis für eine blaue LED verwendet werden könnte. Doch dann las er B. Jayant Baligas Artikel „Power Semiconductor Device Figure of Merit for High-Frequency Applications“ aus dem Jahr 1989 IEEE-Briefe für elektronische Geräteund er nahm an einem Vortrag von Baliga, dem Träger der IEEE Medal of Honor 2014, zu diesem Thema teil.

„Ich war davon überzeugt, dass Siliziumkarbid für elektrische Geräte vielversprechend ist“, sagt Kimoto. „Das Problem war, dass wir weder Wafer noch Substratmaterial hatten“, ohne die es unmöglich sei, die Geräte kommerziell herzustellen.

Um elektrische Geräte aus Siliziumkarbid herzustellen, „mussten Forscher wie ich grundlegende Technologien entwickeln, etwa wie man das Material dotieren kann, um es herzustellen.“ P-Typ und nicht-Typ-Kristalle“, sagt er. „Es ging auch darum, hochwertige Oxide auf Siliziumkarbid zu bilden. » Siliziumdioxid wird in einem MOSFET verwendet, um das Gate zu isolieren und zu verhindern, dass Elektronen durch das Gate fließen.

Kimotos erste Herausforderung bestand darin, reine Siliziumkarbidkristalle herzustellen. Er beschloss, mit Karborund zu beginnen, einer Form von Siliziumkarbid, die üblicherweise als Schleifmittel verwendet wird. Kimoto nahm Fabrikabfälle – kleine Kristalle aus Siliziumkarbid mit einer Größe von etwa 5 Millimetern mal 8 Millimetern – und polierte sie.

Er stellte fest, dass er stark gedopt hatte nicht-Kristalle. Doch ihm wurde klar, dass er nur hochgedopt war nicht-Typ-SiC wäre für Energieanwendungen von geringem Nutzen, wenn es nicht auch leicht dotierte (hochreine) Komponenten herstellen könnte nicht-Typ und P-SiC-Typ.

Durch die Verbindung der beiden Materialtypen entsteht eine Verarmungsregion an der Verbindungsstelle, an der die nicht-Typ und P-artige Seiten treffen aufeinander. In dieser Region gehen freie und bewegliche Ladungen durch Diffusion und Rekombination mit ihren entgegengesetzten Ladungen verloren, und es entsteht ein elektrisches Feld, das zur Steuerung des Ladungsflusses über die Grenze hinweg genutzt werden kann.

„Siliziumkarbid ist eine Familie, die aus vielen Brüdern besteht. »

Mithilfe einer etablierten Technik, der chemischen Gasphasenabscheidung, war Kimoto in der Lage, hochreines Siliziumkarbid herzustellen. Die Technik lässt SiC als Schicht auf einem Substrat wachsen, indem Gase in eine Reaktionskammer eingeleitet werden.

Damals wetteiferten Siliziumkarbid, Galliumnitrid und Zinkselenid darum, eine praktische blaue LED herzustellen. Siliziumkarbid, sagte Kimoto, habe nur einen Vorteil: Es sei relativ einfach, Siliziumkarbid herzustellen. P–nicht Kreuzung. Schaffung P–nicht Mit den beiden anderen Optionen waren die Kreuzungen immer noch schwierig herzustellen.

Anfang der 1990er-Jahre zeichnete sich ab, dass SiC den Wettbewerb um blaue LEDs nicht gewinnen würde. Die unausweichliche Realität der Gesetze der Physik überschattete die Überzeugung der SiC-Forscher, dass sie die inhärenten Eigenschaften des Materials irgendwie überwinden könnten. SiC hat eine sogenannte indirekte Bandlückenstruktur. Wenn also Ladungsträger injiziert werden, ist die Wahrscheinlichkeit, dass sich die Ladungen rekombinieren und Photonen emittieren, gering, was zu einer schlechten Effizienz als Lichtquelle führt.

Während die Suche nach blauen LEDs Schlagzeilen machte, wurden bei der Verwendung von SiC für elektrische Geräte viele stille Fortschritte erzielt. 1993 demonstrierte ein Team unter der Leitung von Kimoto und Hiroyuki Matsunami die ersten 1.100-Volt-Siliziumkarbid-Schottky-Dioden, die sie in einem Artikel beschrieben IEEE-Briefe für elektronische Geräte. Die vom Team und anderen hergestellten Dioden ermöglichten ein schnelles Schalten, das mit Siliziumdioden nicht möglich war.

„Mit Silizium P–nicht Bei Dioden, erklärt Kimoto, brauchen wir zum Schalten etwa eine halbe Mikrosekunde. Bei Siliziumkarbid dauert es jedoch nur 10 Nanosekunden. »

Die Möglichkeit, Geräte schnell ein- und auszuschalten, macht Netzteile und Wechselrichter effizienter, da sie weniger Energie als Wärme verschwenden. Höhere Effizienz und weniger Wärme ermöglichen zudem kleinere, leichtere Designs. Dies ist ein großes Problem bei Elektrofahrzeugen, bei denen weniger Gewicht einen geringeren Energieverbrauch bedeutet.

Kimotos zweiter Durchbruch bestand darin, herauszufinden, welche Form von Siliziumkarbid für elektronische Anwendungen am nützlichsten wäre.

„Siliziumkarbid ist eine Familie mit vielen, vielen Brüdern“, sagt Kimoto und weist darauf hin, dass es mehr als 100 Varianten mit unterschiedlichen atomaren Silizium-Kohlenstoff-Strukturen gibt.

Siliziumkarbid vom Typ 6H war die standardmäßige Standardphase, die von Forschern für blaue LEDs verwendet wurde. Kimoto fand jedoch heraus, dass Typ 4H viel bessere Eigenschaften für elektrische Geräte aufweist, einschließlich einer hohen Elektronenmobilität. Jetzt werden alle elektrischen Geräte und Siliziumkarbid-Waferprodukte mit 4H-Typ hergestellt.

Elektrische Geräte aus Siliziumkarbid in Elektrofahrzeugen können die Energieeffizienz im Vergleich zu Silizium um etwa 10 % verbessern, sagt Kimoto. In elektrischen Zügen könne die für den Antrieb der Waggons benötigte Energie um 30 % reduziert werden, verglichen mit Zügen, die elektrische Geräte auf Siliziumbasis verwenden.

Es gebe weiterhin Herausforderungen, räumt er ein. Obwohl Siliziumkarbid-Leistungstransistoren in Teslas, anderen Elektrofahrzeugen und Elektrozügen verwendet werden, sei ihre Leistung aufgrund von Defekten an der Siliziumdioxid-SiC-Grenzfläche immer noch alles andere als ideal, sagte er. Schnittstellendefekte verringern die Leistung und Zuverlässigkeit von MOS-basierten Transistoren, daher arbeiten Kimoto und andere daran, diese Defekte zu reduzieren.

Als Kimoto als Einzelkind in Wakayama, Japan, in der Nähe von Osaka aufwuchs, bestanden seine Eltern darauf, dass er Medizin studierte und erwarteten, dass er als Erwachsener bei ihnen leben würde. Sein Vater war Arbeiter in einer Textilfabrik; seine Mutter war Hausfrau. Sein Umzug nach Kyoto, um Ingenieurwissenschaften zu studieren, „enttäuschte sie in beiderlei Hinsicht“, sagt er.

Sein Interesse am Ingenieurwesen begann, erinnert er sich, als er in der Mittelschule war, als Japan und die Vereinigten Staaten um die Vorherrschaft in der Halbleiterindustrie konkurrierten.

An der Universität Kyoto erwarb er 1986 und 1988 einen Bachelor- und einen Master-Abschluss in Elektrotechnik. Nach seinem Abschluss nahm er eine Stelle im Forschungs- und Entwicklungszentrum von Sumitomo Electric Industries in Itami an. Dort arbeitete er mit Materialien auf Siliziumbasis, war aber mit den Forschungsmöglichkeiten des Zentrums unzufrieden.

1990 kehrte er an die Universität Kyoto zurück, um dort zu promovieren. Durch das Studium der Leistungselektronik und Hochtemperaturgeräte erlangte er außerdem ein Verständnis für Materialfehler, Ausfälle, Mobilität und Lumineszenz.

„Meine Arbeitserfahrung im Unternehmen war sehr wertvoll, aber ich wollte nicht in die Branche zurückkehren“, sagt er. Als er 1996 seinen Doktortitel erhielt, hatte ihn die Universität als wissenschaftlichen Mitarbeiter eingestellt.

Seitdem ist er hier und hat Innovationen hervorgebracht, die dazu beigetragen haben, Siliziumkarbid zu einem unverzichtbaren Bestandteil des modernen Lebens zu machen.

Ausbau der Siliziumkarbid-Community bei IEEE

Kimoto kam Ende der 1990er Jahre zum IEEE und trug als aktiver Freiwilliger zur Entwicklung der globalen Siliziumkarbid-Community bei.

Er ist Herausgeber von IEEE-Transaktionen auf elektronischen Gerätenund er war Mitglied in Konferenzprogrammausschüssen, darunter dem International Symposium on Power Semiconductor Devices and Integrated Circuits und dem IEEE Workshop on Wide Bandgap Power Devices and Applications.

„Wenn wir jetzt eine Siliziumkarbid-Konferenz haben, kommen mehr als 1.000 Menschen zusammen“, sagt er. „Auf IEEE-Konferenzen wie dem International Electron Devices Meeting oder ISPSD sehen wir immer mehrere gut besuchte Sitzungen zu elektrischen Geräten aus Siliziumkarbid, da sich mittlerweile immer mehr IEEE-Mitglieder für diesen Bereich interessieren.“