რა ტექნიკური ბარიერები არსებობს სილიციუმის კარბიდის მიმართ?

ნახევარგამტარული მასალების პირველი თაობა წარმოდგენილია ტრადიციული სილიციუმით (Si) და გერმანიუმით (Ge), რომლებიც ინტეგრირებული სქემების წარმოების საფუძველს წარმოადგენენ. ისინი ფართოდ გამოიყენება დაბალი ძაბვის, დაბალი სიხშირის და დაბალი სიმძლავრის ტრანზისტორებსა და დეტექტორებში. ნახევარგამტარული პროდუქტების 90%-ზე მეტი დამზადებულია სილიციუმის ბაზაზე დამზადებული მასალებისგან;
მეორე თაობის ნახევარგამტარული მასალები წარმოდგენილია გალიუმის არსენიდით (GaAs), ინდიუმის ფოსფიდით (InP) და გალიუმის ფოსფიდით (GaP). სილიციუმზე დაფუძნებულ მოწყობილობებთან შედარებით, მათ აქვთ მაღალი სიხშირის და მაღალსიჩქარიანი ოპტოელექტრონული თვისებები და ფართოდ გამოიყენება ოპტოელექტრონიკისა და მიკროელექტრონიკის სფეროებში.
ნახევარგამტარული მასალების მესამე თაობა წარმოდგენილია ისეთი ახალი მასალებით, როგორიცაა სილიციუმის კარბიდი (SiC), გალიუმის ნიტრიდი (GaN), თუთიის ოქსიდი (ZnO), ბრილიანტი (C) და ალუმინის ნიტრიდი (AlN).

სილიციუმის კარბიდიწარმოადგენს მნიშვნელოვან ძირითად მასალას მესამე თაობის ნახევარგამტარული ინდუსტრიის განვითარებისთვის. სილიციუმის კარბიდის ენერგომოწყობილობებს შეუძლიათ ეფექტურად დააკმაყოფილონ ენერგოელექტრონული სისტემების მაღალი ეფექტურობის, მინიატურიზაციისა და მსუბუქი წონის მოთხოვნები მათი შესანიშნავი მაღალი ძაბვის წინააღმდეგობის, მაღალი ტემპერატურის წინააღმდეგობის, დაბალი დანაკარგების და სხვა თვისებების წყალობით.

მისი უმაღლესი ფიზიკური თვისებების გამო: მაღალი ზოლური უფსკრული (შეესაბამება მაღალ დაშლის ელექტრულ ველს და მაღალ სიმძლავრის სიმკვრივეს), მაღალი ელექტროგამტარობა და მაღალი თბოგამტარობა, მოსალოდნელია, რომ მომავალში ის ნახევარგამტარული ჩიპების დასამზადებლად ყველაზე ფართოდ გამოყენებულ ძირითად მასალად იქცევა. განსაკუთრებით ახალი ენერგიის სატრანსპორტო საშუალებების, ფოტოელექტრული ენერგიის გენერაციის, რკინიგზის ტრანსპორტის, ჭკვიანი ქსელების და სხვა სფეროებში, მას აშკარა უპირატესობები აქვს.

SiC-ის წარმოების პროცესი დაყოფილია სამ ძირითად ეტაპად: SiC მონოკრისტალის ზრდა, ეპიტაქსიური ფენის ზრდა და მოწყობილობის წარმოება, რომლებიც შეესაბამება სამრეწველო ჯაჭვის ოთხ მთავარ რგოლს:სუბსტრატი, ეპიტაქსია, მოწყობილობები და მოდულები.

სუბსტრატების წარმოების ძირითადი მეთოდი თავდაპირველად იყენებს ფიზიკური ორთქლის სუბლიმაციის მეთოდს ფხვნილის მაღალტემპერატურულ ვაკუუმურ გარემოში სუბლიმაციისთვის და ტემპერატურული ველის კონტროლის გზით სილიციუმის კარბიდის კრისტალების გასაზრდელად სათესლე კრისტალის ზედაპირზე. სილიციუმის კარბიდის ვაფლის სუბსტრატად გამოყენებით, ქიმიური ორთქლის დეპონირება გამოიყენება ვაფლზე მონოკრისტალის ფენის დასალექად ეპიტაქსიური ვაფლის შესაქმნელად. მათ შორის, სილიციუმის კარბიდის ეპიტაქსიური ფენის გამტარ სილიციუმის კარბიდის სუბსტრატზე გაზრდა შეიძლება ენერგომოწყობილობებად იქცეს, რომლებიც ძირითადად გამოიყენება ელექტრომობილებში, ფოტოელექტრო და სხვა სფეროებში; გალიუმის ნიტრიდის ეპიტაქსიური ფენის გაზრდა ნახევრად იზოლატორზე.სილიციუმის კარბიდის სუბსტრატიშემდგომში შეიძლება გადაკეთდეს რადიოსიხშირულ მოწყობილობებად, რომლებიც გამოიყენება 5G კომუნიკაციებსა და სხვა სფეროებში.

ამ ეტაპზე, სილიციუმის კარბიდის სუბსტრატებს სილიციუმის კარბიდის ინდუსტრიულ ჯაჭვში ყველაზე მაღალი ტექნიკური ბარიერები აქვთ და სილიციუმის კარბიდის სუბსტრატების წარმოება ყველაზე რთულია.

SiC-ის წარმოების შემაფერხებელი პრობლემა ბოლომდე არ არის მოგვარებული, ნედლეულის კრისტალური სვეტების ხარისხი არასტაბილურია და არსებობს მოსავლიანობის პრობლემა, რაც იწვევს SiC მოწყობილობების მაღალ ფასს. სილიციუმის მასალისგან კრისტალურ ღეროდ გადაქცევას საშუალოდ მხოლოდ 3 დღე სჭირდება, ხოლო სილიციუმის კარბიდის კრისტალურ ღეროდ დამზადებას - ერთი კვირა. ჩვეულებრივი სილიციუმის კრისტალური ღერო შეიძლება 200 სმ სიგრძის გაიზარდოს, ხოლო სილიციუმის კარბიდის კრისტალური ღერო მხოლოდ 2 სმ სიგრძის. გარდა ამისა, SiC თავად არის მყარი და მყიფე მასალა და მისგან დამზადებული ვაფლები მიდრეკილია კიდეების გატეხვისკენ ტრადიციული მექანიკური ჭრის - ვაფლის დაქუცმაცების გამოყენებისას, რაც გავლენას ახდენს პროდუქტის მოსავლიანობასა და საიმედოობაზე. SiC სუბსტრატები ძალიან განსხვავდება ტრადიციული სილიციუმის ზოდებისგან და ყველაფერი, აღჭურვილობიდან, პროცესებიდან, დამუშავებიდან დაწყებული ჭრით დამთავრებული, უნდა შემუშავდეს სილიციუმის კარბიდის დასამუშავებლად.

სილიციუმის კარბიდის ინდუსტრიული ჯაჭვი ძირითადად ოთხ ძირითად რგოლად იყოფა: სუბსტრატი, ეპიტაქსია, მოწყობილობები და გამოყენება. სუბსტრატის მასალები ინდუსტრიული ჯაჭვის საფუძველს წარმოადგენს, ეპიტაქსიური მასალები მოწყობილობების წარმოების გასაღებს წარმოადგენს, მოწყობილობები ინდუსტრიული ჯაჭვის ბირთვს წარმოადგენს, ხოლო გამოყენება ინდუსტრიული განვითარების მამოძრავებელ ძალას წარმოადგენს. ზედა დინების ინდუსტრია ნედლეულს იყენებს სუბსტრატის მასალების დასამზადებლად ფიზიკური ორთქლის სუბლიმაციის მეთოდებით და სხვა მეთოდებით, შემდეგ კი ქიმიური ორთქლის დეპონირების მეთოდებს და სხვა მეთოდებს იყენებს ეპიტაქსიური მასალების გასაზრდელად. შუა დინების ინდუსტრია ზედა დინების მასალებს იყენებს რადიოსიხშირული მოწყობილობების, დენის მოწყობილობების და სხვა მოწყობილობების დასამზადებლად, რომლებიც საბოლოოდ გამოიყენება ქვედა დინების 5G კომუნიკაციებში, ელექტრომობილებში, რკინიგზის ტრანზიტში და ა.შ. მათ შორის, სუბსტრატი და ეპიტაქსია ინდუსტრიული ჯაჭვის ღირებულების 60%-ს შეადგენს და ინდუსტრიული ჯაჭვის მთავარ ღირებულებას წარმოადგენს.

SiC სუბსტრატი: SiC კრისტალები, როგორც წესი, ლელის მეთოდით იწარმოება. საერთაშორისო ძირითადი პროდუქტები 4 ინჩიდან 6 ინჩამდე გადადის და შემუშავდა 8 ინჩიანი გამტარი სუბსტრატის პროდუქტები. ადგილობრივი სუბსტრატები ძირითადად 4 ინჩიანია. ვინაიდან არსებული 6 ინჩიანი სილიკონის ვაფლის წარმოების ხაზების განახლება და გარდაქმნა შესაძლებელია SiC მოწყობილობების წარმოებისთვის, 6 ინჩიანი SiC სუბსტრატების მაღალი საბაზრო წილი დიდი ხნის განმავლობაში შენარჩუნდება.

სილიციუმის კარბიდის სუბსტრატის წარმოების პროცესი რთული და რთულია. სილიციუმის კარბიდის სუბსტრატი არის ნაერთი ნახევარგამტარული მონოკრისტალური მასალა, რომელიც შედგება ორი ელემენტისგან: ნახშირბადისა და სილიციუმისგან. ამჟამად, ინდუსტრია ძირითადად იყენებს მაღალი სისუფთავის ნახშირბადის ფხვნილს და მაღალი სისუფთავის სილიციუმის ფხვნილს, როგორც ნედლეულს სილიციუმის კარბიდის ფხვნილის სინთეზირებისთვის. სპეციალური ტემპერატურული ველის პირობებში, სხვადასხვა ზომის სილიციუმის კარბიდის გასაზრდელად გამოიყენება მომწიფებული ფიზიკური ორთქლის გადაცემის მეთოდი (PVT მეთოდი). კრისტალური ზოდი საბოლოოდ მუშავდება, იჭრება, იფქვება, იპრიალება, იწმინდება და სხვა მრავალჯერადი პროცესებით მიიღება სილიციუმის კარბიდის სუბსტრატი.