Seramik Silikon Karbida lwn. Semikonduktor Silikon Karbida: Bahan Sama dengan Dua Destinasi Berbeza

1. Keperluan Ketulenan Berbeza untuk Bahan Mentah

 

SiC gred seramik mempunyai keperluan ketulenan yang agak ringan untuk bahan mentah serbuknya. Biasanya, produk gred komersial dengan ketulenan 90%-98% boleh memenuhi kebanyakan keperluan aplikasi, walaupun seramik struktur berprestasi tinggi mungkin memerlukan ketulenan 98%-99.5% (cth, SiC terikat tindak balas memerlukan kandungan silikon bebas terkawal). Ia bertolak ansur dengan kekotoran tertentu dan kadangkala sengaja memasukkan alat pensinteran seperti aluminium oksida (Al₂O₃) atau yttrium oksida (Y₂O₃) untuk meningkatkan prestasi pensinteran, menurunkan suhu pensinteran dan meningkatkan ketumpatan produk akhir.

 

SiC gred semikonduktor menuntut tahap ketulenan yang hampir sempurna. SiC kristal tunggal gred substrat memerlukan ketulenan ≥99.9999% (6N), dengan beberapa aplikasi mewah memerlukan ketulenan 7N (99.99999%). Lapisan epitaxial mesti mengekalkan kepekatan kekotoran di bawah 10¹⁶ atom/cm³ (terutamanya mengelakkan kekotoran tahap dalam seperti B, Al dan V). Malah kesan kekotoran seperti besi (Fe), aluminium (Al), atau boron (B) boleh memberi kesan teruk kepada sifat elektrik dengan menyebabkan penyerakan pembawa, mengurangkan kekuatan medan pecahan, dan akhirnya menjejaskan prestasi dan kebolehpercayaan peranti, yang memerlukan kawalan kekotoran yang ketat.

 

Bahan semikonduktor silikon karbida

 

2. Struktur dan Kualiti Kristal yang Berbeza

 

SiC gred seramik terutamanya wujud sebagai serbuk polihablur atau badan tersinter yang terdiri daripada banyak kristal mikro SiC berorientasikan rawak. Bahan mungkin mengandungi berbilang politaip (cth, α-SiC, β-SiC) tanpa kawalan ketat ke atas politaip tertentu, dengan penekanan sebaliknya pada ketumpatan dan keseragaman bahan keseluruhan. Struktur dalamannya mempunyai sempadan butiran yang banyak dan liang mikroskopik, dan mungkin mengandungi alat pensinteran (cth, Al₂O₃, Y₂O₃).

 

SiC gred semikonduktor mestilah substrat kristal tunggal atau lapisan epitaxial dengan struktur kristal tersusun tinggi. Ia memerlukan politip khusus yang diperoleh melalui teknik pertumbuhan kristal ketepatan (cth, 4H-SiC, 6H-SiC). Sifat elektrik seperti mobiliti elektron dan celah jalur adalah sangat sensitif terhadap pemilihan polytype, memerlukan kawalan yang ketat. Pada masa ini, 4H-SiC mendominasi pasaran kerana sifat elektriknya yang unggul termasuk mobiliti pembawa yang tinggi dan kekuatan medan kerosakan, menjadikannya sesuai untuk peranti kuasa.

 

3. Perbandingan Kerumitan Proses

 

SiC gred seramik menggunakan proses pembuatan yang agak mudah (penyediaan serbuk → membentuk → pensinteran), sama dengan "membuat bata." Proses tersebut melibatkan:

 

• Mencampurkan serbuk SiC gred komersial (biasanya bersaiz mikron) dengan pengikat
• Membentuk melalui menekan
• Pensinteran suhu tinggi (1600-2200°C) untuk mencapai ketumpatan melalui resapan zarah
  Kebanyakan aplikasi boleh berpuas hati dengan ketumpatan >90%. Keseluruhan proses tidak memerlukan kawalan pertumbuhan kristal yang tepat, sebaliknya memfokuskan pada konsistensi pembentukan dan pensinteran. Kelebihan termasuk fleksibiliti proses untuk bentuk yang kompleks, walaupun dengan keperluan ketulenan yang agak rendah.

 

SiC gred semikonduktor melibatkan proses yang jauh lebih kompleks (penyediaan serbuk ketulenan tinggi → pertumbuhan substrat kristal tunggal → pemendapan wafer epitaxial → fabrikasi peranti). Langkah-langkah utama termasuk:

 

• Penyediaan substrat terutamanya melalui kaedah pengangkutan wap fizikal (PVT).
• Sublimasi serbuk SiC pada keadaan melampau (2200-2400°C, vakum tinggi)
• Kawalan tepat kecerunan suhu (±1°C) dan parameter tekanan
• Pertumbuhan lapisan epitaxial melalui pemendapan wap kimia (CVD) untuk mencipta lapisan yang tebal dan berdop yang seragam (biasanya beberapa hingga puluhan mikron)
  Keseluruhan proses memerlukan persekitaran ultra-bersih (cth, bilik bersih Kelas 10) untuk mengelakkan pencemaran. Ciri-ciri termasuk ketepatan proses yang melampau, memerlukan kawalan ke atas medan haba dan kadar aliran gas, dengan keperluan yang ketat untuk kedua-dua ketulenan bahan mentah (>99.9999%) dan kecanggihan peralatan.

 

4. Perbezaan Kos yang Ketara dan Orientasi Pasaran

 

Ciri-ciri SiC gred seramik:

• Bahan mentah: Serbuk gred komersial
• Proses yang agak mudah
• Kos rendah: Beribu-ribu hingga puluhan ribu RMB setiap tan
• Aplikasi luas: Pelelas, refraktori dan industri sensitif kos lain

 

Ciri-ciri SiC gred semikonduktor:

• Kitaran pertumbuhan substrat yang panjang
• Kawalan kecacatan yang mencabar
• Kadar hasil yang rendah
• Kos tinggi: Beribu-ribu USD setiap substrat 6 inci
• Pasaran yang difokuskan: Elektronik berprestasi tinggi seperti peranti kuasa dan komponen RF
  Dengan perkembangan pesat kenderaan tenaga baharu dan komunikasi 5G, permintaan pasaran berkembang dengan pesat.

 

5. Senario Aplikasi Dibezakan

 

SiC gred seramik berfungsi sebagai "kuda kerja industri" terutamanya untuk aplikasi struktur. Memanfaatkan sifat mekanikalnya yang sangat baik (kekerasan tinggi, rintangan haus) dan sifat terma (rintangan suhu tinggi, rintangan pengoksidaan), ia cemerlang dalam:

 

• Bahan pelelas (roda pengisar, kertas pasir)
• Refraktori (lapisan tanur suhu tinggi)
• Komponen tahan haus/karat (badan pam, lapisan paip)

 

Komponen struktur seramik silikon karbida

 

SiC gred semikonduktor berfungsi sebagai "elit elektronik", menggunakan sifat semikonduktor jurang jalur lebarnya untuk menunjukkan kelebihan unik dalam peranti elektronik:

 

• Peranti kuasa: Penyongsang EV, penukar grid (meningkatkan kecekapan penukaran kuasa)
• Peranti RF: stesen pangkalan 5G, sistem radar (membolehkan frekuensi operasi yang lebih tinggi)
• Optoelektronik: Bahan substrat untuk LED biru

 

Wafer epitaxial 200 milimeter SiC

 

Dimensi	SiC gred seramik	SiC gred semikonduktor
Struktur Kristal	Polihabluran, pelbagai politaip	Kristal tunggal, politip yang dipilih dengan ketat
Fokus Proses	Ketumpatan dan kawalan bentuk	Kualiti kristal dan kawalan harta elektrik
Keutamaan Prestasi	Kekuatan mekanikal, rintangan kakisan, kestabilan haba	Sifat elektrik (celah jalur, medan kerosakan, dll.)
Senario Aplikasi	Komponen struktur, bahagian tahan haus, komponen suhu tinggi	Peranti berkuasa tinggi, peranti frekuensi tinggi, peranti optoelektronik
Pemacu Kos	Fleksibiliti proses, kos bahan mentah	Kadar pertumbuhan kristal, ketepatan peralatan, ketulenan bahan mentah

 

Secara ringkasnya, perbezaan asas berpunca daripada tujuan fungsinya yang berbeza: SiC gred seramik menggunakan "bentuk (struktur)" manakala SiC gred semikonduktor menggunakan "sifat (elektrik)." Yang pertama mengejar prestasi mekanikal/terma yang menjimatkan kos, manakala yang kedua mewakili kemuncak teknologi penyediaan bahan sebagai bahan fungsian kristal tunggal ketulenan tinggi. Walaupun berkongsi asal bahan kimia yang sama, SiC gred seramik dan gred semikonduktor mempamerkan perbezaan yang jelas dalam ketulenan, struktur kristal dan proses pembuatan - namun kedua-duanya memberi sumbangan penting kepada pengeluaran perindustrian dan kemajuan teknologi dalam domain masing-masing.