Η πρώτη γενιά ημιαγωγικών υλικών αντιπροσωπεύεται από το παραδοσιακό πυρίτιο (Si) και το γερμάνιο (Ge), τα οποία αποτελούν τη βάση για την κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Χρησιμοποιούνται ευρέως σε τρανζίστορ και ανιχνευτές χαμηλής τάσης, χαμηλής συχνότητας και χαμηλής ισχύος. Περισσότερο από το 90% των προϊόντων ημιαγωγών κατασκευάζονται από υλικά με βάση το πυρίτιο.
Τα ημιαγωγικά υλικά δεύτερης γενιάς αντιπροσωπεύονται από το αρσενικό γάλλιο (GaAs), το φωσφίδιο του ινδίου (InP) και το φωσφίδιο του γαλλίου (GaP). Σε σύγκριση με τις συσκευές που βασίζονται στο πυρίτιο, έχουν οπτοηλεκτρονικές ιδιότητες υψηλής συχνότητας και υψηλής ταχύτητας και χρησιμοποιούνται ευρέως στους τομείς της οπτοηλεκτρονικής και της μικροηλεκτρονικής.
Η τρίτη γενιά ημιαγωγών υλικών αντιπροσωπεύεται από αναδυόμενα υλικά όπως το καρβίδιο του πυριτίου (SiC), το νιτρίδιο του γαλλίου (GaN), το οξείδιο του ψευδαργύρου (ZnO), το διαμάντι (C) και το νιτρίδιο του αργιλίου (AlN).
Καρβίδιο του πυριτίουείναι ένα σημαντικό βασικό υλικό για την ανάπτυξη της βιομηχανίας ημιαγωγών τρίτης γενιάς. Οι συσκευές ισχύος από καρβίδιο του πυριτίου μπορούν να καλύψουν αποτελεσματικά τις απαιτήσεις υψηλής απόδοσης, σμίκρυνσης και ελαφρού βάρους των ηλεκτρονικών συστημάτων ισχύος με την εξαιρετική αντοχή τους σε υψηλή τάση, αντοχή σε υψηλή θερμοκρασία, χαμηλές απώλειες και άλλες ιδιότητες.
Λόγω των ανώτερων φυσικών ιδιοτήτων του: υψηλό ενεργειακό χάσμα (που αντιστοιχεί σε υψηλό ηλεκτρικό πεδίο διάσπασης και υψηλή πυκνότητα ισχύος), υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα και υψηλή θερμική αγωγιμότητα, αναμένεται να γίνει το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο βασικό υλικό για την κατασκευή ημιαγωγικών τσιπ στο μέλλον. Ειδικά στους τομείς των οχημάτων νέας ενέργειας, της παραγωγής φωτοβολταϊκής ενέργειας, των σιδηροδρομικών μεταφορών, των έξυπνων δικτύων και άλλων τομέων, έχει προφανή πλεονεκτήματα.
Η διαδικασία παραγωγής SiC χωρίζεται σε τρία κύρια βήματα: ανάπτυξη μονοκρυστάλλων SiC, ανάπτυξη επιταξιακής στρώσης και κατασκευή συσκευών, τα οποία αντιστοιχούν στους τέσσερις κύριους κρίκους της βιομηχανικής αλυσίδας:υπόστρωμα, επιταξία, συσκευές και ενότητες.
Η κύρια μέθοδος κατασκευής υποστρωμάτων χρησιμοποιεί αρχικά τη μέθοδο φυσικής εξάχνωσης ατμών για να εξαχνώσει τη σκόνη σε περιβάλλον κενού υψηλής θερμοκρασίας και να αναπτύξει κρυστάλλους καρβιδίου του πυριτίου στην επιφάνεια του κρυστάλλου σπόρου μέσω του ελέγχου ενός πεδίου θερμοκρασίας. Χρησιμοποιώντας μια πλακέτα καρβιδίου του πυριτίου ως υπόστρωμα, η χημική εναπόθεση ατμών χρησιμοποιείται για την εναπόθεση ενός στρώματος μονοκρυστάλλου στη πλακέτα για να σχηματίσει μια επιταξιακή πλακέτα. Μεταξύ αυτών, η ανάπτυξη μιας επιταξιακής στρώσης καρβιδίου του πυριτίου σε ένα αγώγιμο υπόστρωμα καρβιδίου του πυριτίου μπορεί να μετατραπεί σε συσκευές ισχύος, οι οποίες χρησιμοποιούνται κυρίως σε ηλεκτρικά οχήματα, φωτοβολταϊκά και άλλους τομείς. η ανάπτυξη μιας επιταξιακής στρώσης νιτριδίου του γαλλίου σε ένα ημιμονωτικόυπόστρωμα καρβιδίου του πυριτίουμπορούν περαιτέρω να μετατραπούν σε συσκευές ραδιοσυχνοτήτων, που χρησιμοποιούνται σε επικοινωνίες 5G και σε άλλους τομείς.
Προς το παρόν, τα υποστρώματα καρβιδίου του πυριτίου αντιμετωπίζουν τα υψηλότερα τεχνικά εμπόδια στην αλυσίδα της βιομηχανίας καρβιδίου του πυριτίου και τα υποστρώματα καρβιδίου του πυριτίου είναι τα πιο δύσκολα στην παραγωγή.
Το πρόβλημα συμφόρησης στην παραγωγή SiC δεν έχει λυθεί πλήρως, και η ποιότητα των κρυσταλλικών πυλώνων της πρώτης ύλης είναι ασταθής και υπάρχει πρόβλημα απόδοσης, γεγονός που οδηγεί στο υψηλό κόστος των συσκευών SiC. Χρειάζονται κατά μέσο όρο μόνο 3 ημέρες για να αναπτυχθεί το υλικό πυριτίου σε μια κρυσταλλική ράβδο, αλλά χρειάζεται μια εβδομάδα για μια κρυσταλλική ράβδο καρβιδίου του πυριτίου. Μια γενική κρυσταλλική ράβδος πυριτίου μπορεί να φτάσει τα 200 cm σε μήκος, αλλά μια κρυσταλλική ράβδος καρβιδίου του πυριτίου μπορεί να φτάσει μόνο τα 2 cm. Επιπλέον, το ίδιο το SiC είναι ένα σκληρό και εύθραυστο υλικό, και οι πλακέτες που κατασκευάζονται από αυτό είναι επιρρεπείς σε θραύση στις άκρες κατά τη χρήση της παραδοσιακής μηχανικής κοπής, η οποία επηρεάζει την απόδοση και την αξιοπιστία του προϊόντος. Τα υποστρώματα SiC διαφέρουν πολύ από τις παραδοσιακές πλινθώσεις πυριτίου, και τα πάντα, από τον εξοπλισμό, τις διαδικασίες, την επεξεργασία έως την κοπή, πρέπει να αναπτυχθούν για να χειριστούν το καρβίδιο του πυριτίου.
Η αλυσίδα της βιομηχανίας καρβιδίου του πυριτίου χωρίζεται κυρίως σε τέσσερις κύριους κρίκους: υπόστρωμα, επιταξία, συσκευές και εφαρμογές. Τα υλικά υποστρώματος αποτελούν το θεμέλιο της αλυσίδας της βιομηχανίας, τα επιταξιακά υλικά είναι το κλειδί για την κατασκευή συσκευών, οι συσκευές αποτελούν τον πυρήνα της αλυσίδας της βιομηχανίας και οι εφαρμογές αποτελούν την κινητήρια δύναμη για τη βιομηχανική ανάπτυξη. Η ανάντη βιομηχανία χρησιμοποιεί πρώτες ύλες για την κατασκευή υλικών υποστρώματος μέσω μεθόδων φυσικής εξάχνωσης ατμών και άλλων μεθόδων και στη συνέχεια χρησιμοποιεί μεθόδους χημικής εναπόθεσης ατμών και άλλες μεθόδους για την ανάπτυξη επιταξιακών υλικών. Η μεσαία βιομηχανία χρησιμοποιεί ανάντη υλικά για την κατασκευή συσκευών ραδιοσυχνοτήτων, συσκευών ισχύος και άλλων συσκευών, οι οποίες τελικά χρησιμοποιούνται σε κατάντη επικοινωνίες 5G, ηλεκτρικά οχήματα, σιδηροδρομικές μεταφορές κ.λπ. Μεταξύ αυτών, το υπόστρωμα και η επιταξία αντιπροσωπεύουν το 60% του κόστους της αλυσίδας της βιομηχανίας και αποτελούν την κύρια αξία της αλυσίδας της βιομηχανίας.
Υπόστρωμα SiC: Οι κρύσταλλοι SiC κατασκευάζονται συνήθως με τη μέθοδο Lely. Τα διεθνή προϊόντα μεταβαίνουν από 4 ίντσες σε 6 ίντσες και έχουν αναπτυχθεί αγώγιμα προϊόντα υποστρώματος 8 ιντσών. Τα εγχώρια υποστρώματα είναι κυρίως 4 ιντσών. Δεδομένου ότι οι υπάρχουσες γραμμές παραγωγής πλακιδίων πυριτίου 6 ιντσών μπορούν να αναβαθμιστούν και να μετατραπούν για την παραγωγή συσκευών SiC, το υψηλό μερίδιο αγοράς των υποστρωμάτων SiC 6 ιντσών θα διατηρηθεί για μεγάλο χρονικό διάστημα.
Η διαδικασία κατασκευής υποστρώματος καρβιδίου του πυριτίου είναι πολύπλοκη και δύσκολη στην παραγωγή. Το υπόστρωμα καρβιδίου του πυριτίου είναι ένα σύνθετο ημιαγωγικό μονοκρυσταλλικό υλικό που αποτελείται από δύο στοιχεία: άνθρακα και πυρίτιο. Προς το παρόν, η βιομηχανία χρησιμοποιεί κυρίως σκόνη άνθρακα υψηλής καθαρότητας και σκόνη πυριτίου υψηλής καθαρότητας ως πρώτες ύλες για τη σύνθεση σκόνης καρβιδίου του πυριτίου. Υπό ειδικό πεδίο θερμοκρασίας, η μέθοδος ώριμης φυσικής μετάδοσης ατμών (μέθοδος PVT) χρησιμοποιείται για την καλλιέργεια καρβιδίου του πυριτίου διαφορετικών μεγεθών σε κλίβανο ανάπτυξης κρυστάλλων. Το κρυσταλλικό χελώνα τελικά υποβάλλεται σε επεξεργασία, κόβεται, αλέθεται, γυαλίζεται, καθαρίζεται και άλλες πολλαπλές διεργασίες για την παραγωγή ενός υποστρώματος καρβιδίου του πυριτίου.
Ώρα δημοσίευσης: 22 Μαΐου 2024