Кремний карбиди керамикасына каршы жарым өткөргүч кремний карбиди: эки башка тагдырга ээ бир эле материал

1. Чийки зат үчүн ар түрдүү тазалык талаптары

 

Керамикалык класстагы SiC анын порошок чийки заты үчүн салыштырмалуу жеңил тазалык талаптары бар. Адатта, тазалыгы 90%-98% болгон коммерциялык класстагы буюмдар көпчүлүк колдонуу муктаждыктарын канааттандыра алат, бирок жогорку натыйжалуу структуралык керамика 98% -99,5% тазалыкты талап кылышы мүмкүн (мисалы, реакция менен байланышкан SiC көзөмөлдөгү эркин кремний мазмунун талап кылат). Ал кээ бир кирлерге чыдайт жана кээде агломерациялоонун натыйжалуулугун жакшыртуу, агломерациялоо температурасын төмөндөтүү жана акыркы продукттун тыгыздыгын жогорулатуу үчүн алюминий оксиди (Al₂O₃) же иттрий оксиди (Y₂O₃) сыяктуу агломерациялоочу каражаттарды атайылап камтыйт.

 

Жарым өткөргүч класстагы SiC кемчиликсиз тазалык деңгээлин талап кылат. Субстраттык класстагы монокристалл SiC ≥99,9999% (6N) тазалыкты талап кылат, ал эми кээ бир жогорку деңгээлдеги колдонмолор 7N (99,99999%) тазалыкты талап кылат. Эпитаксиалдык катмарлар аралашмалардын концентрациясын 10¹⁶ атом/см³ден төмөн кармап турушу керек (айрыкча B, Al жана V сыяктуу терең деңгээлдеги кирлерден качуу). Ал тургай, темир (Fe), алюминий (Al) же бор (B) сыяктуу изи аралашмалар да электрдик касиеттерге катуу таасир этиши мүмкүн, бул ташуучу чачыранды жаратып, талкалануу талаасынын күчүн азайтып, акыр аягында түзмөктүн иштешин жана ишенимдүүлүгүн төмөндөтүп, булганычтарды катуу көзөмөлдөөнү талап кылат.

 

Кремний карбид жарым өткөргүч материал

 

2. Айкын кристалл структуралары жана сапаты

 

Керамикалык класстагы SiC биринчи кезекте көптөгөн туш келди багытталган SiC микрокристаллдарынан турган поликристаллдык порошок же агломерацияланган денелер түрүндө болот. Материал бир нече политиптерди камтышы мүмкүн (мисалы, α-SiC, β-SiC) конкреттүү политиптерге катуу көзөмөлсүз, анын ордуна материалдын жалпы тыгыздыгына жана бирдейлигине басым жасалат. Анын ички структурасында дан чектери жана микроскопиялык тешикчелери бар жана агломерациялоочу жардамдарды камтышы мүмкүн (мисалы, Al₂O₃, Y₂O₃).

 

Жарым өткөргүч класстагы SiC монокристаллдуу субстраттар же жогорку иреттелген кристаллдык структуралары бар эпитаксиалдык катмарлар болушу керек. Ал кристалл өстүрүүнүн тактык ыкмалары аркылуу алынган белгилүү политиптерди талап кылат (мисалы, 4H-SiC, 6H-SiC). Электрондук кыймылдуулук жана тилке тилкеси сыяктуу электрдик касиеттери политип тандоого өтө сезгич болуп, катуу көзөмөлдү талап кылат. Учурда 4H-SiC жогорку электрдик касиеттеринен улам рынокто үстөмдүк кылууда, анын ичинде ташуучунун жогорку мобилдүүлүгү жана бузулуу талаасынын күчү, бул аны кубаттуу түзмөктөр үчүн идеалдуу кылат.

 

3. Процесстин татаалдыгын салыштыруу

 

Керамикалык класстагы SiC салыштырмалуу жөнөкөй өндүрүш процесстерин колдонот (порошок даярдоо → калыптандыруу → агломерация), "кыш жасоого" окшош. Процесс төмөнкүлөрдү камтыйт:

 

• Коммерциялык класстагы SiC порошок (адатта микрон өлчөмүндө) бириктиргичтер менен аралаштыруу
• Басуу аркылуу калыптандыруу
• Бөлүкчөлөрдүн диффузиясы аркылуу тыгыздоого жетишүү үчүн жогорку температурадагы агломерация (1600-2200°C)
  Көпчүлүк колдонмолор> 90% тыгыздыгы менен канааттандырылышы мүмкүн. Бүт процесс кристаллдын өсүшүн так көзөмөлдөөнү талап кылбайт, анын ордуна консистенцияны калыптандырууга жана агломерациялоого басым жасоо. Артыкчылыктары салыштырмалуу төмөн тазалык талаптары менен татаал формалар үчүн процесстин ийкемдүүлүгүн камтыйт.

 

Жарым өткөргүч класстагы SiC алда канча татаал процесстерди камтыйт (жогорку тазалыктагы порошок даярдоо → монокристаллдуу субстраттын өсүшү → эпитаксиалдык пластина чөктүрүүсү → аппаратты жасоо). Негизги кадамдар төмөнкүлөрдү камтыйт:

 

• Субстрат даярдоо, негизинен, физикалык буу транспорту (PVT) ыкмасы менен
• Экстремалдуу шарттарда SiC порошокунун сублимациясы (2200-2400°C, жогорку вакуум)
• Температуранын градиенттерин (±1°C) жана басымдын параметрлерин так көзөмөлдөө
• Эпитаксиалдык катмардын өсүшү химиялык буу катмары (CVD) аркылуу бирдей калың, кошулган катмарларды түзүү үчүн (адатта бир нечеден ондогон микронго чейин)
  Бүт процесс булгануунун алдын алуу үчүн өтө таза чөйрөлөрдү (мисалы, 10-класстын таза бөлмөлөрү) талап кылат. Мүнөздөмөлөрү чийки заттын тазалыгы (>99,9999%) жана жабдуулардын татаалдыгы үчүн катуу талаптар менен жылуулук талааларын жана газ агымынын ылдамдыгын көзөмөлдөөнү талап кылган процесстин өтө тактыгын камтыйт.

 

4. Нарктын олуттуу айырмачылыктары жана рыноктук багыттары

 

Керамикалык класстагы SiC өзгөчөлүктөрү:

• Чийки зат: Коммерциялык класстагы порошок
• Салыштырмалуу жөнөкөй процесстер
• Төмөн наркы: тоннасына миңден он миңдеген юанга чейин
• Кеңири колдонмолор: Abrasives, отко чыдамдуу материалдар жана башка чыгымдарды сезгич тармактар

 

Жарым өткөргүч класстагы SiC өзгөчөлүктөрү:

• Узак субстрат өсүү циклдери
• Кыйынчылыктарды көзөмөлдөө
• Төмөн түшүмдүүлүк көрсөткүчтөрү
• Жогорку баасы: 6 дюймдук субстрат үчүн миңдеген доллар
• Багытталган рыноктор: Электр жабдыктары жана RF компоненттери сыяктуу жогорку натыйжалуу электроника
  Жаңы энергетикалык унаалардын жана 5G коммуникациясынын тез өнүгүшү менен рыноктун суроо-талабы геометриялык түрдө өсүүдө.

 

5. Дифференциацияланган колдонуу сценарийлери

 

Керамикалык класстагы SiC негизинен структуралык колдонмолор үчүн "өнөр жай жумушчу күчү" катары кызмат кылат. Анын эң сонун механикалык касиеттерин (жогорку катуулук, эскирүү туруштуулугу) жана жылуулук касиеттерин (жогорку температурага, кычкылданууга каршылык) колдонуу менен, ал төмөнкүдөй артыкчылыктарга ээ:

 

• Абразивтер (жармалоочу дөңгөлөктөр, кум кагаз)
• Отко чыдамдуу материалдар (жогорку температурадагы мештердин каптамалары)
• эскирүү/коррозияга туруктуу компоненттер (насостордун корпустары, түтүк каптамалары)

 

Кремний карбид керамикалык структуралык компоненттери

 

Жарым өткөргүч класстагы SiC электрондук шаймандардагы уникалдуу артыкчылыктарды көрсөтүү үчүн анын кең тилкелүү жарым өткөргүч касиеттерин колдонуп, "электрондук элита" катары аткарат:

 

• Электр приборлору: EV инверторлору, сетка конвертерлери (энергиянын эффективдүүлүгүн жогорулатуу)
• RF түзмөктөрү: 5G базалык станциялары, радар системалары (жогорку иштөө жыштыгын камсыз кылуу)
• Оптоэлектроника: көк LED үчүн субстрат материалы

 

200 миллиметрлик SiC эпитаксиалдык пластинка

 

Өлчөм	Керамикалык класстагы SiC	Жарым өткөргүч класстагы SiC
Кристалл структурасы	Поликристалдуу, көп политиптер	Жалгыз кристалл, катуу тандалган политиптер
Процесс Фокус	Тыгыздандыруу жана форманы көзөмөлдөө	Кристаллдын сапаты жана электр касиетин көзөмөлдөө
Performance Priority	Механикалык күч, коррозияга туруктуулук, термикалык туруктуулук	Электрдик касиеттери (тилке тилкеси, бузулуу талаасы, ж.б.)
Колдонмо сценарийлери	Структуралык компоненттер, тозууга туруктуу бөлүктөр, жогорку температурадагы компоненттер	Жогорку кубаттуулуктагы приборлор, жогорку жыштыктагы приборлор, оптоэлектрондук приборлор
Чыгым айдоочулары	Процесстин ийкемдуулугу, сырьёнун наркы	Кристаллдын өсүү темпи, жабдуулардын тактыгы, чийки заттын тазалыгы

 

Кыскача айтканда, негизги айырмачылык алардын ар кандай функционалдык максаттарынан келип чыгат: керамикалык класстагы SiC "форманы (структураны)" колдонот, ал эми жарым өткөргүч класстагы SiC "касиеттерди (электрдик)" колдонот. Биринчиси үнөмдүү механикалык/термикалык көрсөткүчтөргө умтулат, ал эми экинчиси жогорку тазалыктагы, монокристалдуу функционалдык материал катары материалды даярдоо технологиясынын туу чокусун билдирет. Бир эле химиялык келип чыгышына карабастан, керамикалык класс жана жарым өткөргүч класстагы SiC тазалыгы, кристаллдык түзүлүшү жана өндүрүш процесстери боюнча айкын айырмачылыктарды көрсөтүшөт - бирок экөө тең өнөр жай өндүрүшүнө жана өз тармагындагы технологиялык прогресске олуттуу салым кошот.