تسونينوبو كيموتو يقود مهمة أجهزة الطاقة

لإسهاماته في مواد كربيد السيليكون وأجهزة الطاقة، تم تكريم زميل IEEE بجائزة IEEE Andrew S. Grove لهذا العام، التي ترعاها جمعية IEEE للأجهزة الإلكترونية.

بدايات كربيد السيليكون المتواضعة

قبل عقود من خروج سيارة تسلا موديل 3 من خط التجميع باستخدام عاكس من كربيد السيليكون، توقع كادر صغير من الباحثين، بما في ذلك كيموتو، الوعد بتكنولوجيا كربيد السيليكون. لقد درسوها في الغموض وقاموا بتحسين تقنيات تصنيع ترانزستورات الطاقة بخصائص تفوق تلك الموجودة في أجهزة السيليكون المستخدمة آنذاك.

اليوم، تعمل الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) وغيرها من ترانزستورات كربيد السيليكون على تقليل فقدان الحالة وفقد التبديل في أنظمة تحويل الطاقة، مثل العاكسات الموجودة في السيارة الكهربائية المستخدمة لتحويل التيار المباشر للبطارية إلى التيار المتردد الذي يحرك المحرك. يؤدي انخفاض خسائر التبديل إلى جعل المركبات أكثر كفاءة، مما يقلل من حجم ووزن إلكترونيات الطاقة الخاصة بها ويحسن أداء مجموعة نقل الحركة. وتوفر أجهزة الشحن القائمة على كربيد السيليكون، والتي تحول التيار المتردد إلى تيار مباشر، تحسينات مماثلة في الكفاءة.

لكن تلك الأدوات لم تظهر للتو. يقول كيموتو: “كان علينا أولاً تطوير تقنيات أساسية، مثل كيفية تخدير المادة لصنع بلورات أشباه الموصلات من النوع n والنوع p”. نيتم ترتيب الهياكل الذرية للبلورات من النوع بحيث تتحرك الإلكترونات، بشحناتها السالبة، بحرية عبر شبكة المادة. وعلى العكس من ذلك، فإن الترتيب الذري لل ص– نوع البلورات يحتوي على ثقوب موجبة الشحنة.

بدأ اهتمام كيموتو بكربيد السيليكون عندما كان يعمل على درجة الدكتوراه. في جامعة كيوتو عام 1990.

يقول: «في ذلك الوقت، كان عدد قليل من الناس يعملون على أجهزة كربيد السيليكون. “وبالنسبة لأولئك الذين كانوا كذلك، كان الهدف الرئيسي لكربيد السيليكون هو مصابيح LED الزرقاء.

“لم يكن هناك أي اهتمام تقريبًا بأجهزة الطاقة من كربيد السيليكون، مثل الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) وثنائيات حاجز شوتكي.”

بدأ كيموتو بدراسة كيفية استخدام كربيد السيليكون كأساس لمصباح LED الأزرق. لكنه قرأ بعد ذلك ورقة بحثية كتبها جايانت باليجا عام 1989 بعنوان “شكل جهاز أشباه الموصلات للطاقة للتطبيقات عالية التردد” في رسائل جهاز الإلكترون IEEEوحضر عرضًا تقديميًا قدمه باليجا، الحائز على وسام الشرف من IEEE لعام 2014، حول هذا الموضوع.

يقول كيموتو: “كنت مقتنعًا بأن كربيد السيليكون كان واعدًا جدًا في أجهزة الطاقة”. “المشكلة هي أنه لم يكن لدينا رقائق ولا مواد أساسية”، والتي بدونها كان من المستحيل تصنيع الأجهزة تجاريًا.

ومن أجل الحصول على أجهزة طاقة من كربيد السيليكون، “كان على الباحثين مثلي تطوير تكنولوجيا أساسية، مثل كيفية تخدير المادة لتصنيعها”. ص-النوع و نيقول: “بلورات من النوع”. “كانت هناك أيضًا مسألة تكوين أكاسيد عالية الجودة على كربيد السيليكون.” يتم استخدام ثاني أكسيد السيليكون في MOSFET لعزل البوابة ومنع تدفق الإلكترونات إليها.

كان التحدي الأول الذي واجهه كيموتو هو إنتاج بلورات كربيد السيليكون النقية. قرر أن يبدأ بالكاربورندوم، وهو أحد أشكال كربيد السيليكون الذي يشيع استخدامه كمادة كاشطة. أخذ كيموتو بعض نفايات المصانع – بلورات صغيرة من كربيد السيليكون يبلغ حجمها حوالي 5 ملم × 8 ملم – وقام بصقلها.

وجد أنه تعاطى مخدرات عالية ن– نوع البلورات . لكنه أدرك أنه كان يتعاطى مخدرات عالية فقط نسيكون نوع SiC قليل الفائدة في تطبيقات الطاقة ما لم يتمكن أيضًا من إنتاج مخدر خفيف (عالي النقاء). ن-النوع و ص-نوع كربيد السيليكون.

يؤدي ربط نوعي المواد إلى إنشاء منطقة استنفاد تمتد على جانبي التقاطع حيث ن-النوع و ص– نوع الجانبين يلتقيان. في هذه المنطقة، تُفقد الشحنات المتنقلة الحرة بسبب الانتشار وإعادة التركيب مع الشحنات المعاكسة لها، ويتم إنشاء مجال كهربائي يمكن استغلاله للتحكم في تدفق الشحنات عبر الحدود.

“كربيد السيليكون عائلة بها العديد من الإخوة.”

وباستخدام تقنية راسخة، وهي ترسيب البخار الكيميائي، تمكن كيموتو من إنتاج كربيد السيليكون عالي النقاء. تعمل هذه التقنية على تنمية SiC كطبقة على الركيزة عن طريق إدخال الغازات إلى غرفة التفاعل.

في ذلك الوقت، كان كربيد السيليكون ونيتريد الغاليوم وسيلينيد الزنك جميعهم متنافسين في السباق لإنتاج مصابيح LED زرقاء عملية. يقول كيموتو إن كربيد السيليكون يتمتع بميزة واحدة فقط: كان من السهل نسبيًا صنع كربيد السيليكون ص–ن تقاطع طرق. خلق ص–ن كان لا يزال من الصعب القيام بالتقاطعات مع الخيارين الآخرين.

بحلول أوائل التسعينيات، بدأ يتضح أن SiC لن يفوز في مسابقة يانصيب LED الزرقاء. لقد تغلبت الحقيقة التي لا مفر منها لقوانين الفيزياء على اعتقاد الباحثين في كربيد السيليكون بأنهم يستطيعون التغلب بطريقة أو بأخرى على الخصائص المتأصلة في المادة. يحتوي SiC على ما يعرف ببنية فجوة النطاق غير المباشرة، لذلك عند حقن حاملات الشحنة، يكون احتمال إعادة تجميع الشحنات وانبعاث الفوتونات منخفضًا، مما يؤدي إلى ضعف الكفاءة كمصدر للضوء.

بينما كان البحث عن مصابيح LED الزرقاء يتصدر عناوين الأخبار، تم إحراز العديد من التطورات البسيطة باستخدام SiC لأجهزة الطاقة. بحلول عام 1993، قام فريق بقيادة كيموتو وهيرويوكي ماتسونامي بعرض أول ثنائيات شوتكي من كربيد السيليكون بجهد 1100 فولت، والتي وصفوها في ورقة بحثية في عام 1993. رسائل جهاز الإلكترون IEEE. أسفرت الثنائيات التي أنتجها الفريق وآخرون عن تبديل سريع لم يكن ممكنًا مع ثنائيات السيليكون.

“مع السيليكون ص–ن يقول كيموتو: “في الثنائيات، نحتاج إلى حوالي نصف ميكروثانية للتبديل. ولكن مع كربيد السيليكون، يستغرق الأمر 10 نانو ثانية فقط.

إن القدرة على تشغيل وإيقاف الأجهزة بسرعة تجعل مصادر الطاقة والمحولات أكثر كفاءة لأنها تهدر طاقة أقل على شكل حرارة. كما تسمح الكفاءة الأعلى والحرارة الأقل بتصميمات أصغر حجمًا وأخف وزنًا. وهذا أمر مهم بالنسبة للسيارات الكهربائية، حيث الوزن الأقل يعني استهلاك أقل للطاقة.

كان الإنجاز الثاني الذي حققه كيموتو هو تحديد أي شكل من أشكال مادة كربيد السيليكون سيكون أكثر فائدة لتطبيقات الإلكترونيات.

يقول كيموتو: “إن كربيد السيليكون عبارة عن عائلة تضم العديد والعديد من الإخوة”، مشيرًا إلى وجود أكثر من 100 نوع مختلف بتركيبات ذرية مختلفة من ذرات السيليكون والكربون.

كان كربيد السيليكون من النوع 6H هو الطور القياسي الافتراضي الذي يستخدمه الباحثون الذين يستهدفون مصابيح LED الزرقاء، لكن كيموتو اكتشف أن النوع 4H له خصائص أفضل بكثير لأجهزة الطاقة، بما في ذلك حركة الإلكترون العالية. الآن يتم تصنيع جميع أجهزة الطاقة ومنتجات الرقائق من كربيد السيليكون من النوع 4H.

ويقول كيموتو إن أجهزة توليد الطاقة من كربيد السيليكون في السيارات الكهربائية يمكن أن تحسن كفاءة استخدام الطاقة بنحو 10 بالمائة مقارنة بالسيليكون. ويقول إنه في القطارات الكهربائية، يمكن خفض الطاقة اللازمة لدفع السيارات بنسبة 30 بالمائة مقارنة بتلك التي تستخدم أجهزة الطاقة المعتمدة على السيليكون.

ويعترف بأن التحديات لا تزال قائمة. على الرغم من استخدام ترانزستورات الطاقة من كربيد السيليكون في سيارات تسلا، والمركبات الكهربائية الأخرى، والقطارات الكهربائية، إلا أن أدائها لا يزال بعيدًا عن المثالية بسبب العيوب الموجودة في واجهة ثاني أكسيد السيليكون وSiC، كما يقول. تقلل عيوب الواجهة من أداء وموثوقية الترانزستورات المعتمدة على MOS، لذلك يعمل كيموتو وآخرون على تقليل العيوب.

عندما كان كيموتو الطفل الوحيد الذي نشأ في واكاياما، اليابان، بالقرب من أوساكا، أصر والديه على دراسة الطب، وتوقعا منه أن يعيش معهم كشخص بالغ. كان والده عاملاً في مصنع للملابس. كانت والدته ربة منزل. ويقول إن انتقاله إلى كيوتو لدراسة الهندسة “خيب آمالهم في كلتا الحالتين”.

ويتذكر أن اهتمامه بالهندسة نشأ عندما كان في المدرسة الإعدادية، عندما كانت اليابان والولايات المتحدة تتنافسان على التفوق في صناعة أشباه الموصلات.

في جامعة كيوتو، حصل على درجتي البكالوريوس والماجستير في الهندسة الكهربائية في عامي 1986 و1988. وبعد تخرجه، حصل على وظيفة في مركز البحث والتطوير التابع لشركة سوميتومو للصناعات الكهربائية في إيتامي. لقد عمل هناك باستخدام مواد قائمة على السيليكون، لكنه لم يكن راضيًا عن الفرص البحثية التي يوفرها المركز.

عاد إلى جامعة كيوتو في عام 1990 لمتابعة درجة الدكتوراه. أثناء دراسته لإلكترونيات الطاقة والأجهزة ذات درجة الحرارة العالية، اكتسب أيضًا فهمًا لعيوب المواد، والانهيار، والتنقل، والتألق.

ويقول: “كانت تجربتي في العمل في الشركة ذات قيمة كبيرة، لكنني لم أرغب في العودة إلى الصناعة مرة أخرى”. وبحلول الوقت الذي حصل فيه على الدكتوراه في عام 1996، عينته الجامعة كباحث مشارك.

لقد كان هناك منذ ذلك الحين، حيث أنتج ابتكارات ساعدت في جعل كربيد السيليكون جزءًا لا غنى عنه في الحياة الحديثة.

تنمية مجتمع كربيد السيليكون في IEEE

انضم كيموتو إلى IEEE في أواخر التسعينيات. كمتطوع نشط، ساعد في تنمية مجتمع كربيد السيليكون في جميع أنحاء العالم.

وهو محرر في معاملات IEEE على الأجهزة الإلكترونيةوقد عمل في لجان برامج المؤتمرات بما في ذلك الندوة الدولية حول أجهزة أشباه موصلات الطاقة والدوائر المتكاملة وورشة عمل IEEE حول أجهزة وتطبيقات الطاقة واسعة النطاق.

ويقول: “الآن، عندما نعقد مؤتمر كربيد السيليكون، يتجمع أكثر من 1000 شخص”. “في مؤتمرات IEEE مثل الاجتماع الدولي للأجهزة الإلكترونية أو ISPSD، نشهد دائمًا العديد من الجلسات التي تحظى بحضور جيد حول أجهزة طاقة كربيد السيليكون لأن المزيد من أعضاء IEEE يهتمون بهذا المجال الآن.”