Зрозумійте минуле життя карбіду кремнію!

Карбід кремнію (SiC) виплавляють при високій температурі в печі опору, використовуючи в якості сировини кварцовий пісок, нафтовий кокс (або кам'яновугільний кокс) і деревну тріску. Карбід кремнію також існує в природі як рідкісний мінерал муасаніт. Карбід кремнію також називають муассанітом. Серед сучасної безоксидної високотехнологічної вогнетривкої сировини типу C, N, B найпоширенішим і економічним є карбід кремнію. Його можна назвати наждаком або вогнетривким піском.

1. Минуле і теперішнє життя карбіду кремнію
Завдяки стабільним хімічним властивостям, високій теплопровідності, малому коефіцієнту теплового розширення та гарній зносостійкості карбід кремнію має багато інших застосувань, окрім використання як абразиву, наприклад нанесення порошку карбіду кремнію спеціальним способом на внутрішню стінку робоче колесо турбіни або блок циліндрів, це може підвищити його зносостійкість і продовжити термін служби в 1-2 рази; передовий вогнетривкий матеріал, виготовлений з нього, стійкий до термічного удару, має невеликі розміри, легку вагу, високу міцність і має хороший ефект енергозбереження. Низькосортний карбід кремнію (містить близько 85% SiC) є чудовим розкислювачем. Це може прискорити виробництво сталі, полегшити контроль хімічного складу та підвищити якість сталі. Крім того, карбід кремнію також широко використовується у виробництві стрижнів з карбіду кремнію для електричних нагрівальних елементів.
Карбід кремнію дуже твердий, з твердістю Мооса 9,5, поступаючись лише найтвердішому алмазу у світі (рівень 10). Він має чудову теплопровідність, є напівпровідником і може протистояти окисленню при високих температурах.

2. Переваги пристроїв з карбіду кремнію
Карбід кремнію (SiC) на даний момент є найбільш зрілим широкозонним напівпровідниковим матеріалом. Країни в усьому світі надають великого значення дослідженням SiC і інвестують багато людських і матеріальних ресурсів в активний розвиток. Сполучені Штати, Європа, Японія тощо. Відповідні дослідницькі плани були сформульовані не лише на національному рівні, а деякі міжнародні гіганти електроніки також вклали значні кошти в розробку напівпровідникових пристроїв з карбіду кремнію.
У порівнянні зі звичайним кремнієм компоненти, що використовують карбід кремнію, мають такі характеристики:

Високовольтні характеристики:
Пристрої з карбіду кремнію в 10 разів перевищують опір напруги еквівалентних кремнієвих пристроїв.
Опір напруги трубок Шотткі з карбіду кремнію може досягати 2400В.
Польові трубки з карбіду кремнію можуть витримувати напругу в десятки тисяч вольт, і їх опір у відкритому стані не дуже великий.

Високочастотні характеристики:

Високотемпературні характеристики:
Сьогодні, коли SiC-матеріали близькі до теоретичної межі продуктивності, пристрої живлення з SiC завжди вважалися «ідеальними пристроями» і дуже очікувані через їх високу витримувану напругу, низькі втрати, високу ефективність та інші характеристики. Однак, порівняно з попередніми пристроями з SiC-матеріалів, баланс між продуктивністю та вартістю силових пристроїв із SiC та їхнім попитом на високі технології стане ключем до того, чи зможуть пристрої живлення з SiC справді стати популярними.

В даний час малопотужні пристрої з карбіду кремнію вийшли на стадію практичного виробництва пристроїв з лабораторії. В даний час ціна на пластини карбіду кремнію все ще відносно висока, і вони також мають багато дефектів. Завдяки постійним дослідженням і розробкам очікується, що приблизно до 2010 року пристрої з карбіду кремнію будуть домінувати на ринку силових пристроїв. Але це не так.

3. Яка поточна ситуація розвитку пристроїв з карбіду кремнію?
1. Технічні параметри: наприклад, на діоді Шотткі напруга зростає з 250 вольт до понад 1,000 вольт, площа мікросхеми менша, але сила струму становить лише кілька десятків ампер. Робоча температура збільшена до 180 градусів, що далеко від впровадження 600 градусів. Падіння напруги ще більш незадовільне, воно нічим не відрізняється від кремнієвого матеріалу, і високе пряме падіння напруги має досягати 2 В.
2. Ринкова ціна: приблизно в 5-6 разів вища, ніж у виробництві силіконового матеріалу.

4. Які труднощі при розробці карбіду кремнію (SiC ) пристроїв?Проблема в розробці пристроїв з карбіду кремнію полягає не в принциповій конструкції чіпа, а особливо в конструкції чіпа. Вирішити її не складно. Складність полягає в реалізації процесу виготовлення структури мікросхеми. Приклади: 1. Щільність дефектів мікротрубок пластин карбіду кремнію. 2. Низька ефективність епітаксійного процесу. 3. Процес легування має особливі вимоги.

4. Виготовлення омічного контакту. 5. Термостійкість опорних матеріалів.

Вище наведено лише кілька прикладів, а не всі. Існує ще багато технологічних проблем, які не мають ідеальних рішень, наприклад, процес обробки поверхні напівпровідника карбіду кремнію, процес пасивації терміналів і вплив стану межі розділу шару оксиду затвора на довгострокову стабільність MOSFET-пристроїв з карбіду кремнію. Чи досягла галузь консенсусу? Послідовні висновки тощо значною мірою завадили швидкому розвитку силових пристроїв з карбіду кремнію.

5. Огляд розвитку основних галузей застосування карбіду кремнію

Наразі третє покоління напівпровідникових матеріалів викликає революцію в чистій енергетиці та нове покоління електронних інформаційних технологій. Незалежно від того, чи йдеться про освітлення, побутову техніку, споживчу електроніку, нові енергетичні транспортні засоби, розумні електромережі чи військові товари, ці високоефективні напівпровідники є матеріалами, які користуються великим попитом. Згідно з розробкою напівпровідників третього покоління, його основними застосуваннями є напівпровідникове освітлення, силові електронні пристрої, лазери та детектори та чотири інші галузі.
1. Напівпровідникове освітлення
Серед чотирьох галузей застосування індустрія напівпровідникового освітлення розвивалася найшвидше та сформувала масштаб галузі в десятки мільярдів доларів.
2. Силові електронні пристрої
У галузі силової електроніки застосування широкозонних напівпровідників тільки почалося, а розмір ринку становить лише кілька сотень мільйонів доларів США. Його застосування в основному зосереджено у сфері передового військового обладнання та поступово поширюється на цивільну сферу.
3. Лазери та детектори
У сфері застосування лазерів і детекторів лазери на основі GaN можуть охоплювати широкий діапазон спектра та реалізовувати виробництво синіх, зелених і ультрафіолетових лазерів і ультрафіолетове виявлення.
4. Інші програми
У сфері передових досліджень напівпровідники з широкою забороненою зоною можна використовувати в сонячних елементах, біосенсорах, середовищах виробництва водню на водній основі та інших нових застосуваннях. В даний час ці гарячі області все ще знаходяться на стадії лабораторних досліджень і розробки.