Первое поколение полупроводниковых материалов представлено традиционными кремнием (Si) и германием (Ge), которые лежат в основе производства интегральных схем. Они широко используются в низковольтных, низкочастотных и маломощных транзисторах и детекторах. Более 90% полупроводниковой продукции изготавливается из материалов на основе кремния;
К полупроводниковым материалам второго поколения относятся арсенид галлия (GaAs), фосфид индия (InP) и фосфид галлия (GaP). По сравнению с кремниевыми устройствами, они обладают высокочастотными и высокоскоростными оптоэлектронными свойствами и широко используются в оптоэлектронике и микроэлектронике.
Третье поколение полупроводниковых материалов представлено такими перспективными материалами, как карбид кремния (SiC), нитрид галлия (GaN), оксид цинка (ZnO), алмаз (C) и нитрид алюминия (AlN).
карбид кремнияКарбид кремния является важным базовым материалом для развития полупроводниковой промышленности третьего поколения. Силовые приборы на основе карбида кремния благодаря своим превосходным свойствам, таким как высокая эффективность, миниатюризация и малый вес, могут эффективно удовлетворять требованиям силовой электроники, предъявляемым к системам с высоким напряжением, высокой термостойкостью, низкими потерями и другими параметрами.
Благодаря своим превосходным физическим свойствам: большой ширине запрещенной зоны (соответствующей высокому напряжению пробоя и высокой плотности мощности), высокой электропроводности и высокой теплопроводности, ожидается, что в будущем он станет наиболее широко используемым основным материалом для производства полупроводниковых чипов. Особенно в таких областях, как новые энергетические транспортные средства, фотоэлектрическая энергетика, железнодорожный транспорт, интеллектуальные энергосети и другие, он обладает очевидными преимуществами.
Процесс производства SiC делится на три основных этапа: выращивание монокристаллов SiC, выращивание эпитаксиальных слоев и изготовление устройств, что соответствует четырем основным звеньям производственной цепочки:субстрат, эпитаксия, устройства и модули.
Основной метод изготовления подложек начинается с физического метода сублимации из паровой фазы, при котором порошок сублимируется в высокотемпературной вакуумной среде, а затем на поверхности затравки выращиваются кристаллы карбида кремния путем контроля температурного поля. Используя кремниевую пластину в качестве подложки, методом химического осаждения из паровой фазы на пластину наносится слой монокристалла для формирования эпитаксиальной пластины. Среди них: выращивание эпитаксиального слоя карбида кремния на проводящей кремниевой подложке позволяет создавать силовые приборы, которые в основном используются в электромобилях, фотовольтаике и других областях; выращивание эпитаксиального слоя нитрида галлия на полуизолирующей подложке.подложка из карбида кремнияВ дальнейшем их можно перерабатывать в радиочастотные устройства, используемые в сетях связи 5G и других областях.
На данный момент подложки из карбида кремния представляют собой самые сложные в производственной цепочке материалы, а их производство является наиболее трудным.
Проблема производства SiC до сих пор полностью не решена, качество исходных кристаллических столбиков нестабильно, а выход годной продукции ограничен, что приводит к высокой стоимости SiC-устройств. В среднем для выращивания кристаллического стержня из кремния требуется всего 3 дня, тогда как для стержня из карбида кремния — неделя. Обычный кристаллический стержень из кремния может вырасти до 200 см в длину, а кристаллический стержень из карбида кремния — всего до 2 см. Более того, сам SiC — твердый и хрупкий материал, и пластины из него склонны к сколам по краям при использовании традиционной механической резки, что влияет на выход годной продукции и надежность. SiC-подложки сильно отличаются от традиционных кремниевых слитков, и для работы с карбидом кремния необходимо разработать все необходимое оборудование, от технологий и обработки до резки.
Производственная цепочка карбида кремния в основном делится на четыре основных звена: подложка, эпитаксия, устройства и приложения. Материалы подложки являются основой производственной цепочки, эпитаксиальные материалы — ключом к производству устройств, устройства — ядром производственной цепочки, а приложения — движущей силой промышленного развития. На начальном этапе используется сырье для производства материалов подложки с помощью методов физической сублимации паров и других методов, а затем с помощью методов химического осаждения из паровой фазы и других методов выращиваются эпитаксиальные материалы. На среднем этапе используется сырье для производства радиочастотных устройств, силовых устройств и других устройств, которые в конечном итоге используются в сетях связи 5G, электромобилях, железнодорожном транспорте и т. д. При этом на подложку и эпитаксию приходится 60% стоимости производственной цепочки, и они являются основной составляющей ее стоимости.
Подложка из SiC: Кристаллы SiC обычно изготавливаются методом Лели. В международном сегменте наблюдается переход от 4-дюймовых подложек к 6-дюймовым, и разработаны 8-дюймовые подложки. В стране в основном используются 4-дюймовые подложки. Поскольку существующие линии по производству 6-дюймовых кремниевых пластин могут быть модернизированы и перепрофилированы для производства устройств на основе SiC, высокая рыночная доля 6-дюймовых подложек из SiC сохранится на долгое время.
Процесс получения подложки из карбида кремния сложен и труден в производстве. Подложка из карбида кремния представляет собой составной полупроводниковый монокристаллический материал, состоящий из двух элементов: углерода и кремния. В настоящее время в промышленности в качестве сырья для синтеза порошка карбида кремния в основном используются высокочистый углеродный порошок и высокочистый кремниевый порошок. В условиях специального температурного поля в печи для выращивания кристаллов выращивается карбид кремния различных размеров с помощью отработанного метода физической парофазной трансдукции (метода ППТ). Полученный кристаллический слиток подвергается дальнейшей обработке, резке, шлифованию, полировке, очистке и другим многоступенчатым процессам для получения подложки из карбида кремния.
Дата публикации: 22 мая 2024 г.