De eerste generatie halfgeleidermaterialen wordt vertegenwoordigd door traditioneel silicium (Si) en germanium (Ge), die de basis vormen voor de productie van geïntegreerde schakelingen. Ze worden veel gebruikt in laagspannings-, laagfrequentie- en laagvermogentransistors en -detectoren. Meer dan 90% van de halfgeleiderproducten wordt gemaakt van siliciummaterialen;
De tweede generatie halfgeleidermaterialen bestaat uit galliumarsenide (GaAs), indiumfosfide (InP) en galliumfosfide (GaP). Vergeleken met siliciumcomponenten hebben ze opto-elektronische eigenschappen bij hoge frequenties en hoge snelheden en worden ze veel gebruikt in de opto-elektronica en micro-elektronica.
De derde generatie halfgeleidermaterialen wordt vertegenwoordigd door opkomende materialen zoals siliciumcarbide (SiC), galliumnitride (GaN), zinkoxide (ZnO), diamant (C) en aluminium nitride (AlN).
Siliciumcarbideis een belangrijk basismateriaal voor de ontwikkeling van de halfgeleiderindustrie van de derde generatie. Siliciumcarbide-voedingscomponenten kunnen effectief voldoen aan de hoge efficiëntie, miniaturisatie en lichtgewichtvereisten van vermogenselektronicasystemen dankzij hun uitstekende hogespanningsweerstand, hoge temperatuurbestendigheid, lage verliezen en andere eigenschappen.
Vanwege de superieure fysische eigenschappen: een hoge band gap (overeenkomend met een hoog doorslagveld en een hoge vermogensdichtheid), een hoge elektrische geleidbaarheid en een hoge thermische geleidbaarheid, wordt verwacht dat het in de toekomst het meest gebruikte basismateriaal zal worden voor de productie van halfgeleiderchips. Vooral op het gebied van nieuwe energievoertuigen, fotovoltaïsche energieopwekking, spoorvervoer, slimme netwerken en andere gebieden biedt het duidelijke voordelen.
Het SiC-productieproces is verdeeld in drie hoofdstappen: de groei van enkelvoudige SiC-kristallen, de groei van epitaxiale lagen en de vervaardiging van apparaten. Deze stappen komen overeen met de vier belangrijkste schakels van de industriële keten:substraat, epitaxie, apparaten en modules.
De gangbare methode voor het vervaardigen van substraten maakt eerst gebruik van de fysische dampsublimatiemethode om het poeder te sublimeren in een vacuümomgeving met hoge temperatuur en siliciumcarbidekristallen te laten groeien op het oppervlak van het kiemkristal door middel van temperatuurregeling. Met een siliciumcarbidewafer als substraat wordt chemische dampdepositie gebruikt om een laag monokristal op de wafer af te zetten en zo een epitaxiale wafer te vormen. Het laten groeien van een epitaxiale laag siliciumcarbide op een geleidend siliciumcarbidesubstraat kan bijvoorbeeld worden gebruikt voor de productie van elektrische apparaten, die voornamelijk worden gebruikt in elektrische voertuigen, fotovoltaïsche systemen en andere sectoren; het laten groeien van een epitaxiale laag galliumnitride op een semi-isolerendsiliciumcarbide substraatkunnen verder worden verwerkt tot radiofrequentieapparaten, die worden gebruikt in 5G-communicatie en andere gebieden.
Momenteel kennen siliciumcarbidesubstraten de hoogste technische barrières in de siliciumcarbide-industrie. Bovendien zijn siliciumcarbidesubstraten het moeilijkst te produceren.
De productieknelpunten van SiC zijn nog niet volledig opgelost. De kwaliteit van de kristalpilaren, de grondstof, is onstabiel en er is een opbrengstprobleem, wat leidt tot de hoge kosten van SiC-apparaten. Het duurt gemiddeld slechts 3 dagen voordat siliciummateriaal tot een kristalstaaf groeit, maar een kristalstaaf van siliciumcarbide duurt een week. Een gewone kristalstaaf van silicium kan 200 cm lang worden, maar een kristalstaaf van siliciumcarbide slechts 2 cm. Bovendien is SiC zelf een hard en bros materiaal, en wafers die ervan zijn gemaakt, zijn gevoelig voor afbrokkeling van de randen bij gebruik van traditioneel mechanisch snijden van wafers, wat de productopbrengst en betrouwbaarheid beïnvloedt. SiC-substraten verschillen sterk van traditionele siliciumstaven en alles, van apparatuur, processen en verwerking tot snijden, moet worden ontwikkeld om siliciumcarbide te verwerken.
De keten van de siliciumcarbide-industrie is hoofdzakelijk verdeeld in vier belangrijke schakels: substraat, epitaxie, apparaten en toepassingen. Substraatmaterialen vormen de basis van de industriële keten, epitaxiale materialen zijn de sleutel tot de productie van apparaten, apparaten vormen de kern van de industriële keten en toepassingen zijn de drijvende kracht achter industriële ontwikkeling. De upstream-industrie gebruikt grondstoffen om substraatmaterialen te maken door middel van fysieke dampsublimatiemethoden en andere methoden, en gebruikt vervolgens chemische dampdepositiemethoden en andere methoden om epitaxiale materialen te laten groeien. De midstream-industrie gebruikt upstream-materialen om radiofrequentieapparaten, elektrische apparaten en andere apparaten te maken, die uiteindelijk worden gebruikt in downstream 5G-communicatie, elektrische voertuigen, spoorvervoer, enz. Onder hen zijn substraat en epitaxie goed voor 60% van de kosten van de industriële keten en vormen ze de belangrijkste waarde van de industriële keten.
SiC-substraat: SiC-kristallen worden meestal geproduceerd met behulp van de Lely-methode. Internationale mainstreamproducten gaan van 4 inch naar 6 inch, en er zijn geleidende substraten van 8 inch ontwikkeld. Binnenlandse substraten zijn voornamelijk 4 inch. Omdat de bestaande productielijnen voor 6 inch siliciumwafers kunnen worden geüpgraded en omgebouwd om SiC-componenten te produceren, zal het hoge marktaandeel van 6 inch SiC-substraten nog lange tijd behouden blijven.
Het siliciumcarbidesubstraatproces is complex en moeilijk te produceren. Siliciumcarbidesubstraat is een samengesteld halfgeleidermonokristalmateriaal dat bestaat uit twee elementen: koolstof en silicium. Momenteel gebruikt de industrie voornamelijk koolstofpoeder met een hoge zuiverheidsgraad en siliciumpoeder met een hoge zuiverheidsgraad als grondstoffen voor de synthese van siliciumcarbidepoeder. Onder een speciaal temperatuurveld wordt de volwassen fysische damptransmissiemethode (PVT-methode) gebruikt om siliciumcarbide van verschillende groottes te laten groeien in een kristalgroeioven. De kristalstaaf wordt uiteindelijk verwerkt, gesneden, geslepen, gepolijst, gereinigd en nog veel meer processen om een siliciumcarbidesubstraat te produceren.
Geplaatst op: 22 mei 2024