Карбид кремния: материал, которым раньше пользовались скейтбордисты, помогает самолетам, поездам и автомобилям расходовать меньше энергии
Как и микросхемы внутри компьютеров и ноутбуков, чипы для регулирования мощности представляют собой полупроводниковые элементы размером не больше ногтя на мизинце. Они предназначены для передачи электричества (ватт), а не данных (байтов). Эти схемы помогают продлить строк службы батарей и уменьшить энергопотребление целого ряда устройств: от смартфонов и планшетов до сканеров головного мозга и реактивных двигателей. Благодаря им машины становятся меньше, легче и эффективнее.
Лучшие микросхемы такого рода делаются из твердого материала - карбида кремния, который первоначально использовался в качестве абразива (например, для изготовления наждачной бумаги) и до сих пор применяется для создания грубой подложки на скейтбордах. Они могут работать при температуре вдвое выше температуры кипения воды, когда обычные кремниевые микросхемы дают сбой. Микросхемы из карбида кремния передают мегаватты электроэнергии — на порядок больше, чем кремниевые, и работают на гораздо более высокой частоте, что делает их намного более эффективными.
Однако до недавнего времени процесс изготовления таких микросхем был крайне сложным.
Он состоит из около 300 этапов, осуществляемых в герметизированном помещении, поэтому компаниям приходится искать пути преодоления трудностей, вызванных сложным взаимодействием между кремнием, углеродом и оксидами металлов. (Полное название таких изделий — кремний-металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор или SiC MOSFET.)
Ученые GE Global Research нашли способ обойти ограничения, возникающие при работе с карбидом кремния, и создали новые способы изготовления микросхем для регулирования мощности, которые могут произвести переворот в силовой электронике и стать источником значительной экономии для пользователей. GE Global Research предоставила экспертизу и технологии стоимостью более 100 миллионов долларов США консорциуму по изготовлению силовой электроники, созданному прошлым летом в г. Олбани, штат Нью-Йорк.
GE изготавливает микросхемы из карбида кремния в помещении с особо стерильной средой в лаборатории г. Нискаюна, штат Нью-Йорк.
Исследовательский консорциум, который объединяет GE, штат Нью-Йорк, колледжи нанотехнологии и технологического проектирования политехнического института SUNY, а также других партнеров, работающих в указанной отрасли промышленности, откроет совместный завод, который будет разрабатывать и изготавливать силовые устройства на основе шестидюймовых пластин карбида кремния.
На первый взгляд это не так уж много, но для силовой электроники это большое достижение. «Это радикально расширит применение карбида кремния», — говорит Даниэль Мерфелд (Danielle Merfeld), директор международного отдела электротехнических технологий и систем GE Global Research. «Мы хотим, чтобы люди приезжали в Нью-Йорк и пользовались этим технологическим преимуществом».
Любиша Стеванович (Ljubisa Stevanovic), главный инженер по вопросам преобразования электроэнергии в отделе передовых технологий лаборатории GE, говорит, что переход от нынешних четырехдюймовых пластин к шестидюймовым практически утроит количество микросхем, располагающихся на одной пластине, и вдвое снизит затраты на их производство. «Это перевернет индустрию», — говорит он. «Скоро мы сможем соперничать в цене с кремниевыми микросхемами при существенно лучшей технологии. Карбид кремния отличается большей прочностью, требует намного меньшего охлаждения и позволяет получать более чистую энергию, нежели обычный кремний».
GE планирует использовать новый завод для производства микросхем, которые будут установлены на оборудовании компании — от насосов для перекачки нефти и газа до МРТ-сканеров. GE также намерена лицензировать технологию для других компаний и использовать завод для вывода продукции на рынок.
Мерфелд и Стеванович считают, что эти микросхемы позволят повысить эффективность поездов, самолетов и автомобилей на 10%, снизить энергопотребление центров обработки данных на 5% и повысить эффективность ветровых и солнечных электростанций более чем на 1%.
Как отмечает Даниель Мерфелд: «Мы прорубаем технологическое окно, которого не было раньше».
Статья подготовлена командой GE Reports