Основные электронные материалы: Часть 2 - Карбид кремния
1 Введение
Карбид кремния (SiC) - широкополосный полупроводниковый материал, обладающий такими прекрасными свойствами, как высокая твердость, высокая теплопроводность, высокая температура и коррозионная стойкость. В области электроники SiC широко используется в силовой электронике, особенно в электромобилях, связи 5G, фотоэлектрической генерации и аэрокосмической промышленности, благодаря своей способности стабильно работать при высоких температурах, высоком давлении и высоких частотах. По сравнению с традиционными кремниевыми материалами, карбид кремния обеспечивает более эффективное преобразование энергии, меньшее энергопотребление и более длительный срок службы устройств, что делает его идеальным выбором для высокопроизводительных электронных устройств.
2 Основные свойства карбида кремния
Карбид кремния, неорганическое вещество с химической формулой SiC, выплавляется при высоких температурах в печах сопротивления с использованием такого сырья, как кварцевый песок, нефтяной кокс (или каменноугольный кокс) и древесная щепа (для получения зеленого карбида кремния добавляется поваренная соль). Карбид кремния является полупроводником в природе в виде чрезвычайно редкого минерала муассанита. Он массово производится в виде порошка и кристаллов с 1893 года и используется в качестве абразива. Среди неоксидного высокотехнологичного огнеупорного сырья, такого как C, N, B и т.д., карбид кремния является наиболее широко и экономически выгодно используемым и может быть назван золотым стальным песком или огнеупорным песком.
Рис. 1 Пластина карбида кремния
Черный карбид кремния и зеленый карбид кремния, две широко используемые разновидности, представляют собой α-SiC. Черный карбид кремния содержит SiC около 95 %, и его прочность выше, чем у зеленого карбида кремния, в основном используется при обработке материалов с низкой прочностью на разрыв, таких как стекло, керамика, камень, огнеупорные материалы, чугун и цветные металлы. Зеленый карбид кремния, содержащий SiC около 97% или более, хорошо самозатачивается, в основном используется в обработке цементированного карбида, титанового сплава и оптического стекла, также применяется для хонингования гильзы цилиндра и прецизионной шлифовки режущих инструментов из быстрорежущей стали. Кроме того, существует кубический карбид кремния, это специальный процесс желто-зеленых кристаллов, используемых для изготовления абразива, подходящего для сверхтонкой обработки подшипников, который может сделать шероховатость поверхности от Ra32 ~ 0,16 мкм до Ra0,04 ~ 0,02 мкм одноразовой обработки.
SiC является типичным бинарным полупроводниковым материалом, и основной единицей его кристаллической структуры является тетраэдр с четырехкратной симметрией, т.е. SiC4 или CSi4, где расстояние между двумя соседними атомами Si или двумя атомами C составляет 3,08 Å, а расстояние между соседними атомами C и Si составляет всего около 1,89 Å. В кристаллах SiC атомы Si и C образуют очень прочные тетраэдрические ковалентные связи (энергия связи 4,6 эВ) путем обмена электронными парами на sp3 гибридизированных орбиталях. Обмен электронными парами на гибридизированных орбиталях sp3 приводит к образованию очень прочных тетраэдрических ковалентных связей (энергия связи 4,6 эВ).
Чистый карбид кремния представляет собой бесцветный и прозрачный кристалл. Промышленный карбид кремния имеет светло-желтый, зеленый, синий или даже черный цвет в зависимости от типа и содержания примесей, а его прозрачность зависит от степени чистоты. Кристаллическая структура карбида кремния подразделяется на гексагональную или ромбическую α-SiC и кубическую β-SiC (так называемый кубический карбид кремния). α-SiC благодаря своей кристаллической структуре атомов углерода и кремния в укладке различных последовательностей и составляющих несколько различных вариантов, был найден в более чем 70 видах. β-SiC в 2100 ℃ или более, когда преобразование α-SiC. α-SiC является наиболее распространенным типом кристалла, β-SiC является кубической кристаллической системы, также известный как кубический карбид кремния. Он также известен как кубический карбид кремния. До сих пор β-SiC имел относительно небольшое коммерческое применение, хотя он может быть использован в качестве носителя для многофазных катализаторов благодаря более высокой площади поверхности, чем у α-SiC. Карбид кремния промышленно производится путем его рафинирования в печи сопротивления с использованием высококачественного кварцевого песка и нефтяного кокса. Рафинированные блоки карбида кремния дробят, промывают кислотой и щелочью, отбирают магнитом и просеивают или отбирают водой для получения продуктов с различными размерами частиц.
Рис. 2 Бинарная фазовая диаграмма SiC
Благодаря стабильным химическим свойствам, высокой теплопроводности, низкому коэффициенту теплового расширения и отличной износостойкости карбид кремния имеет множество применений помимо абразивных материалов. Например, нанесение порошка карбида кремния на крыльчатку гидравлических турбин или внутреннюю стенку цилиндров с помощью специальной технологии позволяет повысить износостойкость и продлить срок службы в 1-2 раза. Кроме того, карбид кремния используется в высококачественных огнеупорных материалах, обладающих такими преимуществами, как устойчивость к тепловым ударам, компактные размеры, малый вес и высокая прочность, что делает их высокоэнергоэффективными. Низкосортный карбид кремния (около 85 % SiC) является отличным раскислителем, который может ускорить выплавку стали, облегчить контроль химического состава и улучшить качество стали. Кроме того, карбид кремния широко используется в производстве углеродных кремниевых стержней для электрических нагревательных элементов.
Твердость карбида кремния очень велика, твердость по Моосу составляет 9,5, уступая лишь самому твердому в мире алмазу (10), обладает отличной теплопроводностью, является полупроводником и устойчив к высокотемпературному окислению.
Существует не менее 70 кристаллических форм карбида кремния. α-SiC - наиболее распространенный гомогенный гетерокристалл, образующийся при высоких температурах свыше 2000 °C и имеющий гексагональную кристаллическую систему (напоминающую волокнистый цинкит). β-SiC с кубической кристаллической системой похож на алмаз и образуется при температурах ниже 2000 °C. β-SiC - гетерогенный носитель катализатора с более высокой удельной поверхностью, чем α-SiC. Для применения в качестве носителя гетерогенного катализатора β-карбид кремния представляет интерес благодаря более высокой удельной поверхности, чем у α-карбида кремния. Существует еще один тип карбида кремния, μ-карбид кремния, который является наиболее стабильным и издает более приятный звук при ударе. Однако до сих пор эти два типа карбида кремния не использовались в коммерческих целях.
Рис. 3 Кристаллические структуры основных полиморфов SiC
Благодаря удельному весу 3,1 г/см3 и относительно высокой температуре возгонки (около 2700 °C) карбид кремния хорошо подходит в качестве сырья для подшипников или высокотемпературных печей. Он не плавится при любом достижимом давлении и обладает довольно низкой химической активностью. Благодаря высокой теплопроводности, высокой напряженности электрического поля и самой высокой плотности тока, карбид кремния пытались использовать в качестве замены кремния, особенно в полупроводниковых компонентах большой мощности. Кроме того, карбид кремния сильно взаимодействует с микроволновым излучением и, благодаря высокой температуре сублимации, позволяет использовать его для нагрева металлов.
Чистый карбид кремния бесцветен, но в промышленном производстве его цвет обычно от коричневого до черного из-за присутствия примесей, таких как железо. Радужный блеск поверхности кристалла обусловлен образованием защитного слоя кремнезема.
SiC - это полупроводник, который путем легирования изменяет структуру энергетических уровней SiC-материалов и в дальнейшем модулирует его свойства, в основном используя средства ионной имплантации для A, B, N и других атомов легирования. Среди них: Al и другие атомы-хозяева с большей вероятностью займут место Si в решетке SiC, образуя глубоко доминирующий энергетический уровень, таким образом получая полупроводник P-типа; в то время как N, P и другие атомы-хозяева с большей вероятностью займут место C в решетке, образуя неглубокий доминирующий уровень, таким образом получая полупроводник N-типа. Стоит отметить, что SiC имеет широкий диапазон легирования (1X1014-1X1019 см-3), не встречающийся в других широкозонных полупроводниках, и в этом диапазоне легко реализовать легирование N- и P-типа, например, удельное электрическое сопротивление монокристаллов 4H-SiC составляет всего 5 Ом-см после легирования AI.
3 Процессы изготовления карбида кремния
Карбид кремния производится двумя основными методами: методом сплавления и методом химического осаждения из паровой фазы.
3.1 Метод плавления
Метод плавления заключается в расплавлении кремния и графита (или графитированного кремния) путем их смешивания при высокой температуре и последующего охлаждения с образованием карбида кремния. Конкретный процесс выглядит следующим образом:
1. Подготовка сырья: выберите высокочистое углеродное сырье и кремниевое сырье, измельчите и просеивайте, чтобы размер частиц соответствовал требованиям процесса.
2. Смешивание: Смешайте измельченное углеродное и кремниевое сырье в соответствии с определенным соотношением, чтобы примеси были рассеяны.
3. Загрузка: смешанное сырье помещается в высокотемпературную печь, печь должна быть зафиксирована в определенной температуре печи, а атмосфера и поддерживать определенное отрицательное давление.
4. Реакция карбонизации: при высокой температуре углерод и кремниевое сырье вступают в реакцию, в результате которой образуется карбид кремния. Температура реакции обычно составляет 2000-2500 градусов Цельсия.
5. Охлаждение и разделение: После реакции карбонизации печь закрывают для охлаждения. Затем материал карбида кремния извлекается из печи, и карбид кремния с различными размерами частиц отделяется физическими методами (например, дроблением, просеиванием).
3.2 Химическое осаждение из паровой фазы
Химическое осаждение из паровой фазы (CVD) - это метод формирования карбида кремния на поверхности подложки путем осаждения источника углерода и кремния в газе в результате газофазной химической реакции. Конкретный процесс выглядит следующим образом:
1. Подготовка подложки: выберите подходящие подложки, такие как кварц, графит и т.д., очистите и обработайте их в соответствии с требованиями процесса, чтобы сделать поверхность гладкой.
2. Загрузка реактора: поместите обработанную подложку в CVD-реактор и нагрейте реактор до подходящей температуры.
3. Подача реакционного газа: Подайте газ, содержащий источники углерода и кремния, в реактор с определенной скоростью потока и одновременно контролируйте температуру, давление и соотношение газов.
4. Газофазная реакция: Газы из источников углерода и кремния вступают в химическую реакцию на поверхности подложки, в результате чего образуется карбид кремния. Природа карбида кремния также может быть изменена путем введения источников легирования в процессе реакции.
5. Охлаждение и отверждение: После завершения реакции подача газа прекращается, реактор останавливается, и происходит охлаждение. В процессе охлаждения карбид кремния затвердевает на поверхности подложки, образуя тонкую пленку или блок карбида кремния.
В зависимости от требований к применению, можно выбрать подходящий процесс для получения материалов из карбида кремния с определенными свойствами.
Рис. 4 Оборудование для химического осаждения из паровой фазы (CVD)
4 Области применения карбида кремния
4.1 Силовая электроника
В силовых полупроводниковых приборах (например, МОП-транзисторах, IGBT) карбид кремния предлагает более эффективное решение для преобразования энергии. В то время как обычные кремниевые материалы имеют ограниченные характеристики при больших токах и высоких напряжениях, материалы SiC обладают широкополосными характеристиками, что позволяет им поддерживать низкие потери при переключении и снижать потери энергии при высоких напряжениях. Это преимущество особенно заметно в электромобилях и системах выработки возобновляемой энергии, обеспечивая большую дальность поездки и меньшее время зарядки электромобилей, а также повышая энергоэффективность фотоэлектрических и ветроэнергетических систем. Кроме того, карбид кремния обеспечивает эффективное преобразование энергии в высоковольтных устройствах в системах электросетей, поддерживая интеллектуальную и эффективную передачу энергии.
4.2 Высокотемпературные и высокочастотные устройства
Карбид кремния отлично зарекомендовал себя в высокотемпературных и высокочастотных областях и особенно подходит для высокочастотных переключателей, требующих высокоскоростной работы в базовых станциях 5G и военной электронике. Его способность сохранять стабильные электрические характеристики в условиях высоких температур компенсирует отсутствие деградации характеристик традиционных кремниевых устройств в условиях высоких температур. Благодаря широкой полосе пропускания и высокой теплопроводности SiC может сохранять хорошие электрические характеристики при более высоких рабочих температурах, чем кремний, что делает его идеальным материалом для высокочастотных систем связи и радаров, а также позволяет удовлетворить спрос на более высокие скорости передачи данных в базовых станциях 5G.
4.3 Применение в светодиодах и оптоэлектронике
Карбид кремния был одним из первых материалов, использовавшихся для изготовления синих светодиодов. Хотя в настоящее время его часто заменяют нитридом галлия, он остается ценным в оптоэлектронных устройствах для определенных диапазонов длин волн, особенно в УФ- и БИК-фотодетектировании. Высокотемпературные и радиационно-стойкие свойства SiC позволяют использовать его в широком спектре приложений в экстремальных оптических средах. Будучи стабильной подложкой, он может быть интегрирован в высокотемпературные и радиационно-стойкие фотоприемники, подходящие для систем освещения и оптических сенсорных устройств, требующих высокой стабильности светового потока.
Рис. 5 Пластины из карбида кремния для оптоэлектронных применений
4.4 Датчики
SiC демонстрирует уникальные преимущества в датчиках для экстремальных условий. Он может точно определять газ, температуру, давление и другие параметры в химических датчиках и высокотемпературных газовых датчиках, что подходит для нефтехимической и других отраслей промышленности, где требуется высокая химическая стабильность. SiC-датчики обладают превосходной коррозионной стойкостью и высокотемпературной стабильностью и могут эффективно работать в условиях, где традиционные датчики не справляются, что особенно подходит для высокотемпературных и коррозионных промышленных сред.
4.5 Применение в аэрокосмической и оборонной промышленности
В аэрокосмическом и оборонном оборудовании, таком как спутники и ракеты, где требуется высокая надежность и долговечность, карбиду кремния отдается предпочтение за его высокую температуру плавления, радиационную стойкость и прочностные характеристики. Устройства из SiC не только выдерживают экстремальные температуры, но и обеспечивают надежную работу в вакууме и в условиях сильного излучения, что позволяет им играть центральную роль в таких критически важных областях, как спутниковая связь и управление ракетами, повышая надежность и срок службы оборудования в экстремальных условиях.
Рис. 6 Зеркала из карбида кремния для аэрокосмических применений
5 Преимущества и ограничения карбида кремния
5.1 Преимущества карбида кремния
1. Работа при высоких температурах и высоком давлении: Термическая стабильность и электрические свойства SiC в высокотемпературных средах превосходят свойства традиционных кремниевых материалов. Высокая температура плавления и антиоксидантные свойства SiC делают его стабильным в экстремальных условиях, что особенно важно для аэрокосмической промышленности, военного электронного оборудования и других приложений, требующих устойчивости к высоким температурам. Его широкополосная структура имеет меньший ток утечки при высоких напряжениях, что значительно снижает влияние тепловых эффектов, а это преимущество труднодостижимо для традиционных кремниевых материалов.
2. Высокочастотные и мощные приложения: Широкополосные характеристики и высокая подвижность носителей у материалов SiC дают им значительное преимущество в высокочастотных и мощных приложениях. По сравнению с кремнием, SiC-устройства могут более эффективно снижать потери энергии в высокочастотных устройствах и демонстрировать превосходные характеристики в мощных приложениях. Это делает его идеальным материалом для электронных устройств, требующих высокоскоростной коммутации сигналов, таких как базовые станции связи 5G и высокочастотные радарные системы.
3. Эффективное преобразование энергии: Силовые устройства SiC могут значительно повысить эффективность использования энергии в электромобилях и системах возобновляемой энергетики. Благодаря низким потерям проводимости и высокой способности блокировать напряжение, инверторы SiC в электромобилях становятся более эффективными, эффективно увеличивая время автономной работы. Кроме того, в инверторах солнечных и ветряных энергосистем SiC-устройства также значительно повышают эффективность преобразования энергии, снижают рабочую температуру системы и повышают надежность оборудования.
Рис. 7 Высокотемпературный восстановительный резервуар из карбида кремния
5.2 Ограничения карбида кремния
1. Высокая стоимость: По сравнению с кремниевыми материалами, SiC более дорог в приготовлении и обработке, а также требует специального высокоточного технологического обеспечения, что оказывает большее влияние на стоимость производства. Стоимость роста высококачественных кристаллов SiC намного выше, чем у кремниевых материалов, поэтому рыночная цена устройств из SiC все еще высока, что влияет на его продвижение на чувствительные к стоимости рынки, такие как потребительская электроника.
2. Сложный процесс: Процесс подготовки монокристалла SiC сложен, особенно при подготовке высокочистого, высококачественного монокристалла SiC. В настоящее время скорость роста кристаллов SiC медленная, и в процессе производства очень легко получить дефекты, что приводит к низкому выходу устройств. Кроме того, высокая твердость SiC затрудняет его обработку, что еще больше ограничивает его широкомасштабное применение.
3. Надежность устройства: Хотя SiC хорошо работает в экстремальных условиях, таких как высокие температуры и высокое давление, долгосрочная надежность некоторых SiC-устройств все еще нуждается в дальнейшем улучшении в практических приложениях. По сравнению со зрелым кремниевым процессом, проблема старения SiC-устройств в экстремальных условиях еще не полностью решена, а потребность в более длительных жизненных циклах в некоторых сценариях применения требует дальнейшего повышения стабильности и надежности устройств.
6 Заключение
В заключение следует отметить, что карбид кремния (SiC) зарекомендовал себя как важнейший материал для производства электронных материалов благодаря своим уникальным преимуществам, включая высокую теплопроводность, твердость и превосходные характеристики при высоких температурах, высоком давлении и в высокочастотных средах. Его применение охватывает множество отраслей - силовую электронику, высокотемпературные и высокочастотные устройства, светодиоды, датчики и аэрокосмическую промышленность, - которые выигрывают от эффективности SiC в преобразовании энергии, увеличенного срока службы устройств и стабильности в экстремальных условиях. Однако высокая стоимость, сложные процессы изготовления и проблемы с надежностью все еще ограничивают широкое распространение SiC. По мере развития технологий производства и снижения затрат карбид кремния будет играть все более заметную роль в высокопроизводительных и специализированных электронных приложениях.
КомпанияStanford Advanced Materials (SAM) является ключевым поставщиком высококачественных материалов из карбида кремния, обеспечивая эти критически важные приложения надежными материальными решениями.
Связанное чтение
Влияние качества кремниевых пластин на производительность и надежность полупроводников
Сравнение SOI и кремниевых пластин: Что лучше для вашего полупроводникового проекта?
Тематическое исследование: Пластины из карбида кремния для передовых броневых решений
Прорыв подложки из карбида кремния в светодиодной промышленности
Является ли карбид кремния хорошим проводником электричества?
