Материалы на основе карбида кремния, полупроводниковые приборы и применение в кремниевых пластинах.

Карбид кремния (SiC), как основной материал полупроводников третьего поколения с широкой запрещенной зоной, преодолел узкое место в производительности традиционных материалов на основе кремния благодаря превосходным характеристикам, таким как высокая термостойкость, высокая прочность на пробой и высокая теплопроводность, и стал ключевым вспомогательным материалом в высокотехнологичных областях, таких как возобновляемая энергетика, связь 5G и аэрокосмическая промышленность. Кремниевые пластины, как основной носитель для изготовления полупроводниковых приборов, напрямую определяют производительность устройства; рекристаллизованный карбид кремния , как специальный производный материал, еще больше расширяет границы применения карбида кремния.

Основные характеристики и классификация материалов на основе карбида кремния

1. Основные характеристики: Преимущества в производительности по сравнению с материалами на основе кремния.

Карбид кремния — это полупроводниковое соединение, образованное ковалентной связью кремния и углерода. Во-первых, большая ширина запрещенной зоны (3.26 эВ) в три раза превышает ширину запрещенной зоны кремниевых материалов, что позволяет поддерживать низкий ток утечки в условиях высоких температур и стабильно работать при температуре выше 600 ℃, в то время как кремниевые материалы выдерживают температуру только около 150 ℃; во-вторых, высокая напряженность пробивного поля, достигающая 2–4 МВ/см, в 10 раз выше, чем у кремния, что позволяет значительно уменьшить толщину дрейфового слоя устройства и повысить плотность мощности; в-третьих, он обладает высокой теплопроводностью до 120–270 Вт/(м·К), что в три раза выше, чем у кремния. Это позволяет быстро рассеивать тепло, выделяемое во время работы устройства, и снижать стоимость системы теплоотвода. В-четвертых, высокая скорость дрейфа насыщения электронов в два раза выше, чем у кремния, что способствует работе устройства на высоких частотах. Кроме того, карбид кремния обладает такими преимуществами, как низкие потери проводимости и высокая химическая стабильность, что делает его подходящим для применения в экстремальных условиях эксплуатации.

2. Основные категории: Основные материалы и производные материалы.

Материалы на основе карбида кремния в основном делятся на две категории: монокристаллический карбид кремния и рекристаллизованный карбид кремния. Кроме того, существуют различные типы материалов, такие как 3C SiC и 6H SiC, которые подходят для различных задач. Рекристаллизованный карбид кремния (R-SiC) — это высокоэффективный керамический материал, получаемый методом высокотемпературного твердофазного спекания без использования спекающих добавок. Его чистота может достигать более 99.5%, и он обладает высокой теплопроводностью, высокой твердостью, коррозионной стойкостью и другими характеристиками. Он в основном используется в компонентах полупроводникового оборудования, высокотемпературной печной фурнитуре и других областях.

Типы и способы изготовления полупроводниковых приборов из карбида кремния

1. Типы и функции основных компонентов

Полупроводниковые приборы на основе карбида кремния в основном делятся на две категории: силовые приборы и радиочастотные приборы, и широко используются в областях преобразования энергии и передачи сигналов. Силовые приборы в настоящее время являются наиболее зрелой категорией, основными компонентами которой являются MOSFET-транзисторы на основе карбида кремния, диоды Шоттки, IGBT-транзисторы и т. д. Среди них MOSFET-транзисторы и диоды Шоттки доминируют на рынке. MOSFET-транзисторы на основе карбида кремния обладают низкими потерями при переключении и высокой удельной мощностью, что значительно повышает эффективность преобразования энергии, и широко используются в инверторах для электромобилей и фотоэлектрических инверторах; диоды Шоттки обладают сверхбыстрой скоростью переключения, отсутствием потерь при обратном восстановлении и подходят для высокочастотных и высоковольтных сценариев. Радиочастотные приборы в основном состоят из MESFET-транзисторов и HEMT-транзисторов на основе карбида кремния, которые используют высокочастотные характеристики и применяются в таких областях, как базовые станции связи 5G и спутниковая связь, для обеспечения эффективной передачи сигналов.

2. Основной процесс подготовки устройства

Изготовление полупроводниковых приборов из карбида кремния основано на использовании кремниевых пластин, и основной процесс делится на три этапа: во-первых, предварительная обработка пластин, очистка и полировка кремниевых пластин для удаления поверхностных загрязнений и дефектов, обеспечивающие плоскостность поверхности на атомном уровне; далее — эпитаксиальный рост, который осуществляется с использованием технологии химического осаждения из газовой фазы (CVD) для выращивания эпитаксиального слоя точной толщины на поверхности пластины, регулирования типа и концентрации легирования и построения основной структуры прибора; наконец, изготовление прибора, где исток, сток, затвор и другие структуры прибора формируются на пластине с помощью таких процессов, как фотолитография, травление, ионная имплантация и металлизация. После упаковки и тестирования получается готовое устройство. Весь процесс требует чрезвычайно высокой точности, особенно в отношении эпитаксиального роста и контроля дефектов, что напрямую определяет надежность и выход годных изделий.

Ключевые технологии и контроль качества кремниевых карбидных пластин

1. Основные технологии подготовки кремниевых пластин

В настоящее время основным методом выращивания монокристаллов является физическая парофазная трансфера (ФПГ), которая требует сублимации порошка карбида кремния в высокотемпературной среде 2200-2400 ℃ для выращивания монокристаллического слитка на поверхности затравки. Скорость роста чрезвычайно низкая (0.1-0.5 мм/час) и подвержена образованию дефектов, таких как микротрубки и дислокации. После ориентации, резки алмазной проволочной пилой, шлифовки, химико-механической полировки (ХМП) и других процессов монокристаллические слитки превращаются в пластины различных размеров. В настоящее время на рынке преобладают 6-дюймовые пластины, а индустриализация 8-дюймовых пластин ускоряется. Кроме того, технология эпитаксиального роста также имеет решающее значение для подготовки пластин, требуя точного контроля таких параметров, как температура и скорость потока газа, для обеспечения равномерной толщины и низкой частоты дефектов эпитаксиального слоя.

2. Ключевые моменты основного контроля качества

Качество кремниево-карбидных пластин напрямую влияет на характеристики полупроводниковых приборов, и ключевые моменты контроля включают три аспекта: во-первых, контроль дефектов кристалла, который требует контроля плотности микротрубок ниже 0.5 см⁻² для уменьшения дефектов, таких как дислокации и дефекты слоев, и предотвращения влияния на проводимость прибора; во-вторых, контроль точности размеров, обеспечивающий равномерную толщину пластины, соответствие плоскостности поверхности стандартам и контроль погрешности на уровне микрометров; в-третьих, контроль чистоты, строгий контроль содержания примесей в пластине для предотвращения влияния примесей на характеристики переноса носителей заряда. В настоящее время ведущие мировые производители пластин постоянно улучшают качество пластин и снижают производственные затраты за счет оптимизации процессов выращивания PVT и внедрения новых технологий полировки.

Полный спектр применения материалов, устройств и пластин из карбида кремния.

1. Новый энергетический сектор: ключевой перевозчик в сфере энергосбережения и повышения энергоэффективности.

Наиболее широкое применение карбида кремния наблюдается в сфере возобновляемой энергетики, охватывающей две основные области: электромобили и системы хранения энергии на основе фотоэлектрических элементов. В электромобилях устройства из карбида кремния используются в основных приводных инверторах и бортовых зарядных устройствах (OBC), что позволяет повысить КПД инвертора до более чем 99%, снизить потери при переключении и увеличить запас хода автомобиля на 10-15%. В настоящее время Tesla, Xiaopeng и другие автомобильные компании широко их используют; кремниевые пластины из карбида кремния являются основными носителями автомобильных устройств, способствуя популяризации высоковольтных платформ на 800 В. В области систем хранения энергии на основе фотоэлектрических элементов устройства из карбида кремния используются в фотоэлектрических инверторах и преобразователях энергии для повышения эффективности преобразования энергии и уменьшения габаритов оборудования более чем на 40%. Такие компании, как Huawei и Sunac, уже представили комплексные решения на основе карбида кремния.

2. Электроника и связь: адаптация к высокочастотным и высоковольтным условиям

В области связи 5G радиочастотные устройства, изготовленные из полуизолирующих пластин карбида кремния, могут стабильно работать в высокочастотных и высокотемпературных средах, поддерживая передачу сигналов для базовых станций 5G и увеличивая дальность и скорость связи; в области промышленного управления силовые устройства на основе карбида кремния используются в частотных преобразователях и сервоконтроллерах, что позволяет снизить энергопотребление более чем на 60% и повысить надежность оборудования. Кроме того, в области бытовой электроники устройства на основе карбида кремния постепенно находят применение в устройствах быстрой зарядки для достижения миниатюризации и эффективной зарядки.

3. Специализированное и высокотехнологичное оборудование: поддержка в экстремальных условиях эксплуатации.

Перекристаллизованный карбид кремния, благодаря своей высокой чистоте, термостойкости и коррозионной стойкости, широко используется в компонентах полупроводникового оборудования, таких как кристаллические лодочки, распылительные головки и основания электростатических зажимных устройств, занимая более 60% мирового рынка высокочистых компонентов из карбида кремния, используемых в полупроводниковом оборудовании; в аэрокосмической отрасли устройства из карбида кремния используются в системах электропитания космических аппаратов, радиолокационном оборудовании и подходят для экстремальных условий с высокими температурами и радиацией; в железнодорожном транспорте он используется в системах преобразования энергии высокоскоростных рельсов для повышения эффективности преобразования энергии и снижения эксплуатационных расходов.

Состояние разработки карбида кремния

В настоящее время индустрия карбида кремния находится в критическом периоде технологической итерации и расширения масштабов производства. Достигнуто массовое производство 6-дюймовых пластин, постепенно происходит прорыв 8-дюймовых пластин, стоимость устройств продолжает снижаться, а сценарии применения постоянно расширяются. Однако отрасль по-прежнему сталкивается с такими проблемами, как низкая эффективность выращивания монокристаллов, трудности в контроле дефектов и зависимость от импортного основного оборудования. В будущем, благодаря оптимизации процессов получения и продвижению отечественного производства, материалы на основе карбида кремния, полупроводниковые устройства и пластины будут проникать во все большее число высокотехнологичных областей и станут основными материалами, поддерживающими трансформацию новой энергетики и развитие цифровой экономики.

Поставщик

RBOSCHCO — это надежный мировой поставщик и производитель рекристаллизованного карбида кремния с более чем 12-летним опытом работы в сфере предоставления высококачественных химических веществ и наноматериалов. Компания экспортирует продукцию во многие страны, такие как США, Канада, Европа, ОАЭ, Южная Африка, Танзания, Кения, Египет, Нигерия, Камерун, Уганда, Турция, Мексика, Азербайджан, Бельгия, Кипр, Чехия, Бразилия, Чили, Аргентина, Дубай, Япония, Корея, Вьетнам, Таиланд, Малайзия, Индонезия, Австралия, Германия, Франция, Италия, Португалия и др. Как ведущий производитель в области нанотехнологий, RBOSCHCO занимает лидирующие позиции на рынке. Наша профессиональная команда предлагает идеальные решения, помогающие повысить эффективность различных отраслей, создать ценность и легко справляться с различными задачами. Если вы ищете рекристаллизованный карбид кремния , пожалуйста, свяжитесь с нами.