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 transistors en detectoren met lage spanning, lage frequentie en laag vermogen. Meer dan 90% van de halfgeleiderproducten is gemaakt van materialen op basis van silicium.
De tweede generatie halfgeleidermaterialen wordt vertegenwoordigd door galliumarsenide (GaAs), indiumfosfide (InP) en galliumfosfide (GaP). In vergelijking met op silicium gebaseerde apparaten hebben ze opto-elektronische eigenschappen met hoge frequentie en snelheid en worden ze veelvuldig 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 aluminiumnitride (AlN).
SiliciumcarbideSiliciumcarbide is een belangrijk basismateriaal voor de ontwikkeling van de derde generatie halfgeleiderindustrie. Vermogenscomponenten van siliciumcarbide kunnen dankzij hun uitstekende hoogspanningsbestendigheid, hoge temperatuurbestendigheid, lage verliezen en andere eigenschappen effectief voldoen aan de eisen van vermogenselektronica op het gebied van hoge efficiëntie, miniaturisatie en lichtgewicht.
Vanwege zijn superieure fysische eigenschappen: een hoge bandgap (wat overeenkomt met een hoog doorslagveld en een hoge vermogensdichtheid), een hoge elektrische geleidbaarheid en een hoge thermische geleidbaarheid, zal het naar verwachting in de toekomst het meest gebruikte basismateriaal worden voor de productie van halfgeleiderchips. Vooral op het gebied van elektrische voertuigen, zonne-energie, spoorvervoer, slimme netwerken en andere sectoren biedt het duidelijke voordelen.
Het productieproces van SiC is onderverdeeld in drie belangrijke stappen: de groei van SiC-eenkristallen, de groei van epitaxiale lagen en de fabricage van apparaten. Deze stappen komen overeen met de vier belangrijkste schakels in de industriële keten:substraat, epitaxie, apparaten en modules.
De gangbare methode voor de productie 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 zaadkristal door middel van temperatuurregeling. Met behulp van een siliciumcarbide wafer als substraat wordt chemische dampafzetting gebruikt om een laag enkelkristal op de wafer af te zetten en zo een epitaxiale wafer te vormen. Het laten groeien van een epitaxiale siliciumcarbidelaag op een geleidend siliciumcarbidesubstraat kan worden gebruikt voor vermogenscomponenten, die voornamelijk worden toegepast in elektrische voertuigen, fotovoltaïsche cellen en andere gebieden; het laten groeien van een epitaxiale galliumnitridelaag op een halfgeleidend substraat is een andere mogelijkheid.siliciumcarbide substraatZe kunnen verder worden verwerkt tot radiofrequentieapparaten, die worden gebruikt in 5G-communicatie en andere toepassingen.
Momenteel vormen siliciumcarbidesubstraten de grootste technische drempel in de siliciumcarbide-industrie en zijn ze het moeilijkst te produceren.
Het productieknelpunt van SiC is nog niet volledig opgelost. De kwaliteit van de kristalstaven als grondstof is instabiel en er is een opbrengstprobleem, wat leidt tot de hoge kosten van SiC-componenten. Het duurt gemiddeld slechts 3 dagen voordat siliciummateriaal uitgroeit tot een kristalstaaf, terwijl dit voor een siliciumcarbidekristalstaaf een week duurt. Een standaard siliciumkristalstaaf kan 200 cm lang worden, terwijl een siliciumcarbidekristalstaaf slechts 2 cm lang kan worden. Bovendien is SiC zelf een hard en bros materiaal, en wafers gemaakt van SiC zijn gevoelig voor afbrokkeling aan de randen bij gebruik van traditionele mechanische snijmethoden, wat de productopbrengst en betrouwbaarheid beïnvloedt. SiC-substraten verschillen sterk van traditionele siliciumblokken, en alles, van apparatuur en processen tot verwerking en snijden, moet worden ontwikkeld om siliciumcarbide te kunnen verwerken.
De industriële keten van siliciumcarbide is hoofdzakelijk verdeeld in vier belangrijke schakels: substraat, epitaxie, apparaten en toepassingen. Substraatmaterialen vormen de basis van de keten, epitaxiale materialen zijn essentieel voor de productie van apparaten, apparaten vormen de kern van de keten en toepassingen zijn de drijvende kracht achter de industriële ontwikkeling. De upstream-industrie gebruikt grondstoffen om substraatmaterialen te produceren via methoden zoals fysische dampsublimatie, en vervolgens worden epitaxiale materialen gekweekt met behulp van methoden zoals chemische dampafzetting. De midstream-industrie gebruikt de upstream-materialen om radiofrequentieapparaten, vermogensapparaten en andere apparaten te produceren, die uiteindelijk worden gebruikt in downstream-toepassingen zoals 5G-communicatie, elektrische voertuigen, spoorwegen, enzovoort. Substraat en epitaxie vertegenwoordigen 60% van de kosten van de industriële keten en vormen de belangrijkste waardeketen.
SiC-substraat: SiC-kristallen worden doorgaans geproduceerd met behulp van de Lely-methode. Internationale gangbare producten verschuiven van 4 inch naar 6 inch, en er zijn al geleidende substraten van 8 inch ontwikkeld. Binnenlandse substraten zijn voornamelijk 4 inch. Omdat de bestaande productielijnen voor 6-inch siliciumwafers kunnen worden gemoderniseerd en omgebouwd voor de productie van SiC-componenten, zal het hoge marktaandeel van 6-inch SiC-substraten nog lange tijd behouden blijven.
Het productieproces van siliciumcarbidesubstraten is complex en moeilijk. Siliciumcarbidesubstraten zijn samengestelde halfgeleider-eenkristallen die bestaan uit twee elementen: koolstof en silicium. Momenteel gebruikt de industrie voornamelijk hoogzuiver koolstofpoeder en hoogzuiver siliciumpoeder als grondstoffen voor de synthese van siliciumcarbidepoeder. Onder een speciaal temperatuurveld wordt de beproefde fysische dampdoorlaatmethode (PVT-methode) gebruikt om siliciumcarbide van verschillende groottes te laten groeien in een kristalgroeioven. De kristalstaaf wordt vervolgens verder bewerkt, gesneden, geslepen, gepolijst, gereinigd en onderworpen aan diverse andere processen om een siliciumcarbidesubstraat te produceren.
Geplaatst op: 22 mei 2024