Pierwszą generację materiałów półprzewodnikowych reprezentują tradycyjne materiały krzemowe (Si) i germanowe (Ge), które stanowią podstawę produkcji układów scalonych. Są one szeroko stosowane w tranzystorach i detektorach niskiego napięcia, niskiej częstotliwości i małej mocy. Ponad 90% produktów półprzewodnikowych jest wykonanych z materiałów na bazie krzemu;
Materiały półprzewodnikowe drugiej generacji to arsenek galu (GaAs), fosforek indu (InP) i fosforek galu (GaP). W porównaniu z elementami na bazie krzemu, charakteryzują się one wysoką częstotliwością i szybkością działania, co czyni je szeroko stosowanymi w optoelektronice i mikroelektronice.
Trzecią generację materiałów półprzewodnikowych stanowią nowe materiały, takie jak węglik krzemu (SiC), azotek galu (GaN), tlenek cynku (ZnO), diament (C) i azotek glinu (AlN).
Węglik krzemujest ważnym materiałem bazowym dla rozwoju przemysłu półprzewodników trzeciej generacji. Elementy mocy z węglika krzemu mogą skutecznie spełniać wymagania dotyczące wysokiej sprawności, miniaturyzacji i lekkości układów elektroniki mocy, dzięki doskonałej odporności na wysokie napięcie, wysoką temperaturę, niskie straty mocy i innym właściwościom.
Ze względu na swoje wyjątkowe właściwości fizyczne: szeroką przerwę energetyczną (odpowiadającą wysokiemu polu przebicia i wysokiej gęstości mocy), wysoką przewodność elektryczną i wysoką przewodność cieplną, oczekuje się, że w przyszłości stanie się najszerzej stosowanym materiałem bazowym do produkcji układów scalonych półprzewodnikowych. Ma on oczywiste zalety, zwłaszcza w dziedzinie nowych pojazdów elektrycznych, fotowoltaiki, transportu szynowego, inteligentnych sieci energetycznych i innych dziedzinach.
Proces produkcji SiC dzieli się na trzy główne etapy: wzrost monokryształu SiC, wzrost warstwy epitaksjalnej i wytwarzanie urządzeń, które odpowiadają czterem głównym ogniwom łańcucha przemysłowego:podłoże, epitaksja, urządzeń i modułów.
Powszechna metoda wytwarzania podłoży wykorzystuje najpierw metodę fizycznej sublimacji z fazy gazowej do sublimacji proszku w środowisku próżni o wysokiej temperaturze, a następnie hoduje kryształy węglika krzemu na powierzchni kryształu zarodkowego poprzez kontrolowanie pola temperatury. Używając płytki z węglika krzemu jako podłoża, stosuje się chemiczne osadzanie z fazy gazowej do osadzenia warstwy monokryształu na płytce, tworząc wafel epitaksjalny. Wśród nich, wytworzenie warstwy epitaksjalnej z węglika krzemu na przewodzącym podłożu z węglika krzemu może być wykorzystane w urządzeniach energetycznych, które są głównie wykorzystywane w pojazdach elektrycznych, fotowoltaice i innych dziedzinach; wytworzenie warstwy epitaksjalnej azotku galu na półizolacyjnym podłożu.podłoże z węglika krzemumożna je następnie przetworzyć na urządzenia radiowe, stosowane w komunikacji 5G i innych dziedzinach.
Na chwilę obecną podłoża z węglika krzemu borykają się z największymi barierami technicznymi w całym łańcuchu przemysłowym węglika krzemu i są najtrudniejsze w produkcji.
Wąskie gardło w produkcji SiC nie zostało całkowicie rozwiązane, a jakość filarów krystalicznych z surowca jest niestabilna i występuje problem z wydajnością, co prowadzi do wysokich kosztów urządzeń SiC. Materiał krzemowy potrzebuje średnio zaledwie 3 dni, aby urosnąć w pręt krystaliczny, podczas gdy pręt z węglika krzemu trwa tydzień. Standardowy pręt krystaliczny krzemu może urosnąć do długości 200 cm, ale pręt z węglika krzemu może urosnąć tylko do 2 cm. Co więcej, sam SiC jest twardym i kruchym materiałem, a wafle z niego wykonane są podatne na odpryskiwanie krawędzi podczas stosowania tradycyjnego cięcia mechanicznego, co wpływa na wydajność i niezawodność produktu. Podłoża SiC znacznie różnią się od tradycyjnych wlewków krzemowych, a wszystko, od urządzeń, procesów, przetwarzania po cięcie, musi zostać opracowane pod kątem obsługi węglika krzemu.
Łańcuch przemysłowy węglika krzemu dzieli się głównie na cztery główne ogniwa: podłoże, epitaksja, urządzenia i zastosowania. Materiały podłoża stanowią podstawę łańcucha przemysłowego, materiały epitaksjalne są kluczem do produkcji urządzeń, urządzenia stanowią rdzeń łańcucha przemysłowego, a zastosowania są siłą napędową rozwoju przemysłu. Przemysł upstream wykorzystuje surowce do wytwarzania materiałów podłoża za pomocą metod fizycznej sublimacji z fazy gazowej i innych metod, a następnie wykorzystuje metody chemicznego osadzania z fazy gazowej i inne metody do wytwarzania materiałów epitaksjalnych. Przemysł midstream wykorzystuje materiały upstream do wytwarzania urządzeń o częstotliwości radiowej, urządzeń zasilających i innych urządzeń, które ostatecznie są wykorzystywane w komunikacji downstream 5G, pojazdach elektrycznych, transporcie kolejowym itp. Spośród nich podłoże i epitaksja stanowią 60% kosztów łańcucha przemysłowego i są główną wartością łańcucha przemysłowego.
Podłoże SiC: Kryształy SiC są zazwyczaj wytwarzane metodą Lely. Produkty na rynku międzynarodowym przechodzą z 4 cali na 6 cali, a opracowano 8-calowe produkty z podłożem przewodzącym. Podłoża krajowe mają głównie 4 cale. Ponieważ istniejące linie produkcyjne 6-calowych płytek krzemowych można modernizować i przekształcać w celu produkcji urządzeń SiC, wysoki udział 6-calowych podłoży SiC w rynku zostanie utrzymany przez długi czas.
Proces wytwarzania podłoża z węglika krzemu jest złożony i trudny. Podłoże z węglika krzemu to złożony materiał półprzewodnikowy o strukturze monokrystalicznej, składający się z dwóch pierwiastków: węgla i krzemu. Obecnie przemysł wykorzystuje głównie wysokiej czystości proszek węglowy i wysokiej czystości proszek krzemowy jako surowce do syntezy proszku węglika krzemu. W specjalnym polu temperaturowym, do hodowli węglika krzemu o różnych rozmiarach w piecu do wzrostu kryształów, stosuje się dojrzałą metodę fizycznej transmisji z pary (PVT). Wlewek kryształu jest następnie poddawany obróbce, cięciu, szlifowaniu, polerowaniu, czyszczeniu i innym procesom w celu wytworzenia podłoża z węglika krzemu.
Czas publikacji: 22 maja 2024 r.