Кераміка з карбіду кремнію проти напівпровідникового карбіду кремнію: один і той самий матеріал з двома різними долями

1. Різні вимоги до чистоти сировини

 

Керамічний карбід кремнію (SiC) має відносно помірні вимоги до чистоти порошкової сировини. Як правило, продукти комерційного класу з чистотою 90%-98% можуть задовольнити більшість потреб застосування, хоча високоефективна конструкційна кераміка може вимагати чистоти 98%-99,5% (наприклад, реакційно-зв'язаний SiC вимагає контрольованого вмісту вільного кремнію). Він переносить певні домішки та іноді навмисно включає допоміжні речовини для спікання, такі як оксид алюмінію (Al₂O₃) або оксид ітрію (Y₂O₃), для покращення характеристик спікання, зниження температури спікання та підвищення кінцевої щільності продукту.

 

SiC напівпровідникового класу вимагає майже ідеального рівня чистоти. Монокристалічний SiC підкладкового класу вимагає чистоти ≥99,9999% (6N), а для деяких високоякісних застосувань потрібна чистота 7N (99,99999%). Епітаксіальні шари повинні підтримувати концентрацію домішок нижче 10¹⁶ атомів/см³ (особливо уникаючи глибоких домішок, таких як B, Al та V). Навіть слідові домішки, такі як залізо (Fe), алюміній (Al) або бор (B), можуть серйозно впливати на електричні властивості, викликаючи розсіювання носіїв заряду, зменшуючи напруженість пробивного поля та, зрештою, погіршуючи продуктивність та надійність пристрою, що вимагає суворого контролю домішок.

 

Напівпровідниковий матеріал з карбіду кремнію

 

2. Різні кристалічні структури та якість

 

Керамічний SiC існує переважно у вигляді полікристалічного порошку або спечених тіл, що складаються з численних хаотично орієнтованих мікрокристалів SiC. Матеріал може містити кілька політипів (наприклад, α-SiC, β-SiC) без суворого контролю над конкретними політипами, з акцентом на загальну щільність та однорідність матеріалу. Його внутрішня структура характеризується великою кількістю меж зерен та мікроскопічними порами, а також може містити допоміжні речовини для спікання (наприклад, Al₂O₃, Y₂O₃).

 

Напівпровідниковий SiC повинен бути монокристалічними підкладками або епітаксійними шарами з високовпорядкованими кристалічними структурами. Він вимагає специфічних політипів, отриманих за допомогою прецизійних методів вирощування кристалів (наприклад, 4H-SiC, 6H-SiC). Електричні властивості, такі як рухливість електронів та ширина забороненої зони, надзвичайно чутливі до вибору політипу, що вимагає суворого контролю. Наразі 4H-SiC домінує на ринку завдяки своїм чудовим електричним властивостям, включаючи високу рухливість носіїв заряду та напруженість пробивного поля, що робить його ідеальним для силових пристроїв.

 

3. Порівняння складності процесів

 

Керамічний SiC використовує відносно прості виробничі процеси (підготовка порошку → формування → спікання), аналогічні «виробництву цегли». Процес включає:

 

• Змішування порошку SiC промислового класу (зазвичай мікронного розміру) зі зв'язуючими речовинами
• Формування пресуванням
• Високотемпературне спікання (1600-2200°C) для досягнення ущільнення шляхом дифузії частинок
  Більшість застосувань можна задовольнити густиною >90%. Весь процес не вимагає точного контролю росту кристалів, натомість зосереджений на консистенції формування та спікання. Переваги включають гнучкість процесу для складних форм, хоча й з відносно нижчими вимогами до чистоти.

 

Напівпровідниковий SiC включає набагато складніші процеси (підготовка високочистого порошку → вирощування монокристалічної підкладки → епітаксіальне осадження пластини → виготовлення пристрою). Ключові етапи включають:

 

• Підготовка основи переважно методом фізичного пароперенесення (PVT)
• Сублімація порошку SiC в екстремальних умовах (2200-2400°C, високий вакуум)
• Точний контроль градієнтів температури (±1°C) та параметрів тиску
• Епітаксіальне зростання шарів за допомогою хімічного осадження з парової фази (CVD) для створення рівномірно товстих легованих шарів (зазвичай від кількох до десятків мікронів)
  Весь процес вимагає надчистого середовища (наприклад, чистих приміщень класу 10) для запобігання забрудненню. Характеристики включають надзвичайну точність процесу, що вимагає контролю над тепловими полями та швидкістю потоку газу, з жорсткими вимогами як до чистоти сировини (>99,9999%), так і до складності обладнання.

 

4. Значні відмінності у вартості та ринкові орієнтації

 

Характеристики SiC керамічного класу:

• Сировина: порошок промислового класу
• Відносно прості процеси
• Низька вартість: від тисяч до десятків тисяч юанів за тонну
• Широке застосування: абразиви, вогнетриви та інші галузі промисловості, що вимагають витрат

 

Характеристики SiC напівпровідникового класу:

• Тривалі цикли росту субстрату
• Складний контроль дефектів
• Низькі показники врожайності
• Висока вартість: тисячі доларів США за 6-дюймову підкладку
• Цільові ринки: високопродуктивна електроніка, така як силові пристрої та радіочастотні компоненти
  Зі швидким розвитком транспортних засобів на нових джерелах енергії та зв'язку 5G, попит на ринку зростає в геометричній прогресії.

 

5. Диференційовані сценарії застосування

 

Керамічний карбід кремнію (SiC) слугує «промисловою робочою конячкою», головним чином для конструкційних застосувань. Завдяки своїм чудовим механічним властивостям (висока твердість, зносостійкість) та термічним властивостям (стійкість до високих температур, стійкість до окислення), він перевершує інші переваги:

 

• Абразивні матеріали (шліфувальні круги, наждачний папір)
• Вогнетриви (футерування високотемпературних печей)
• Зносостійкі/стійкі до корозії компоненти (корпуси насосів, футеровка труб)

 

Керамічні структурні компоненти з карбіду кремнію

 

Напівпровідниковий SiC виступає як «електронна еліта», використовуючи свої напівпровідникові властивості з широкою забороненою зоною для демонстрації унікальних переваг в електронних пристроях:

 

• Силові пристрої: інвертори для електромобілів, мережеві перетворювачі (підвищення ефективності перетворення енергії)
• Радіочастотні пристрої: базові станції 5G, радіолокаційні системи (що забезпечують вищі робочі частоти)
• Оптоелектроніка: Матеріал підкладки для синіх світлодіодів

 

200-міліметрова епітаксіальна пластина SiC

 

Вимір	Керамічний SiC	SiC напівпровідникового класу
Кристалічна структура	Полікристалічний, кілька політипів	Монокристал, суворо відібрані політипи
Фокус на процесі	Ущільнення та контроль форми	Контроль якості кристалів та електричних властивостей
Пріоритет продуктивності	Механічна міцність, стійкість до корозії, термостабільність	Електричні властивості (ширина забороненої зони, поле пробою тощо)
Сценарії застосування	Конструкційні компоненти, зносостійкі деталі, компоненти, що працюють при високих температурах	Високопотужні пристрої, високочастотні пристрої, оптоелектронні пристрої
Фактори, що впливають на вартість	Гнучкість процесу, вартість сировини	Швидкість росту кристалів, точність обладнання, чистота сировини

 

Підсумовуючи, фундаментальна відмінність випливає з їхнього різного функціонального призначення: керамічний SiC використовує «форму (структуру)», тоді як напівпровідниковий SiC використовує «властивості (електричні)». Перший прагне економічно ефективних механічних/термічних характеристик, тоді як другий являє собою вершину технології підготовки матеріалів як високочистий монокристалічний функціональний матеріал. Хоча керамічний та напівпровідниковий SiC мають однакове хімічне походження, вони демонструють чіткі відмінності в чистоті, кристалічній структурі та виробничих процесах, проте обидва роблять значний внесок у промислове виробництво та технологічний прогрес у своїх відповідних галузях.