Ceramica din carbură de siliciu vs. semiconductori Carbură de siliciu: același material cu două destine distincte

1. Cerințe divergente de puritate pentru materiile prime

 

SiC-ul de calitate ceramică are cerințe de puritate relativ indulgente pentru materia primă sub formă de pulbere. De obicei, produsele de calitate comercială cu o puritate de 90%-98% pot satisface majoritatea nevoilor aplicațiilor, deși ceramica structurală de înaltă performanță poate necesita o puritate de 98%-99,5% (de exemplu, SiC-ul legat prin reacție necesită un conținut controlat de siliciu liber). Acesta tolerează anumite impurități și uneori încorporează în mod intenționat adjuvanți de sinterizare, cum ar fi oxidul de aluminiu (Al₂O₃) sau oxidul de ytriu (Y₂O₃), pentru a îmbunătăți performanța de sinterizare, a reduce temperaturile de sinterizare și a spori densitatea produsului final.

 

SiC de calitate semiconductoare necesită niveluri de puritate aproape perfecte. SiC monocristal de calitate substrat necesită o puritate ≥99,9999% (6N), unele aplicații de înaltă calitate necesitând o puritate de 7N (99,99999%). Straturile epitaxiale trebuie să mențină concentrațiile de impurități sub 10¹⁶ atomi/cm³ (evitând în special impuritățile de nivel profund, cum ar fi B, Al și V). Chiar și urme de impurități, cum ar fi fierul (Fe), aluminiul (Al) sau borul (B), pot afecta grav proprietățile electrice prin provocarea împrăștierii purtătorilor de sarcină, reducerea intensității câmpului de străpungere și, în cele din urmă, compromiterea performanței și fiabilității dispozitivului, necesitând un control strict al impurităților.

 

Material semiconductor din carbură de siliciu

 

2. Structuri cristaline distincte și calitate

 

SiC de calitate ceramică există în principal sub formă de pulbere policristalină sau corpuri sinterizate compuse din numeroase microcristale de SiC orientate aleatoriu. Materialul poate conține mai multe politipuri (de exemplu, α-SiC, β-SiC) fără un control strict asupra politipurilor specifice, punându-se accent în schimb pe densitatea și uniformitatea generală a materialului. Structura sa internă prezintă limite abundente ale granulelor și pori microscopici și poate conține agenți de sinterizare (de exemplu, Al₂O₃, Y₂O₃).

 

SiC de calitate semiconductoare trebuie să fie substraturi monocristaline sau straturi epitaxiale cu structuri cristaline foarte ordonate. Necesită politipuri specifice obținute prin tehnici precise de creștere a cristalelor (de exemplu, 4H-SiC, 6H-SiC). Proprietățile electrice precum mobilitatea electronilor și banda interzisă sunt extrem de sensibile la selecția politipurilor, necesitând un control strict. În prezent, 4H-SiC domină piața datorită proprietăților sale electrice superioare, inclusiv mobilitatea ridicată a purtătorilor de sarcină și intensitatea câmpului de străpungere, ceea ce îl face ideal pentru dispozitivele de putere.

 

3. Compararea complexității procesului

 

SiC de calitate ceramică utilizează procese de fabricație relativ simple (prepararea pulberii → formare → sinterizare), analoge cu „fabricarea cărămizilor”. Procesul implică:

 

• Amestecarea pulberii de SiC de calitate comercială (de obicei cu dimensiuni de microni) cu lianți
• Formare prin presare
• Sinterizare la temperatură înaltă (1600-2200°C) pentru a obține densificarea prin difuzia particulelor
  Majoritatea aplicațiilor pot fi satisfăcute cu o densitate >90%. Întregul proces nu necesită un control precis al creșterii cristalelor, concentrându-se în schimb pe consistența formării și sinterizării. Avantajele includ flexibilitatea procesului pentru forme complexe, deși cu cerințe de puritate relativ mai mici.

 

SiC de calitate semiconductoare implică procese mult mai complexe (prepararea pulberii de înaltă puritate → creșterea substratului monocristalin → depunere epitaxială de plachete → fabricarea dispozitivului). Etapele cheie includ:

 

• Prepararea substratului în principal prin metoda transportului fizic de vapori (PVT)
• Sublimarea pulberii de SiC în condiții extreme (2200-2400°C, vid înalt)
• Control precis al gradienților de temperatură (±1°C) și al parametrilor de presiune
• Creșterea straturilor epitaxiale prin depunere chimică de vapori (CVD) pentru a crea straturi dopate uniform groase (de obicei de câțiva până la zeci de microni)
  Întregul proces necesită medii ultra-curate (de exemplu, camere sterile de clasa 10) pentru a preveni contaminarea. Caracteristicile includ o precizie extremă a procesului, care necesită controlul câmpurilor termice și al debitelor de gaz, cu cerințe stricte atât pentru puritatea materiei prime (>99,9999%), cât și pentru sofisticarea echipamentelor.

 

4. Diferențe semnificative de cost și orientări către piață

 

Caracteristici ale SiC de calitate ceramică:

• Materie primă: Pulbere de calitate comercială
• Procese relativ simple
• Cost redus: Mii până la zeci de mii de RMB pe tonă
• Aplicații largi: Abrazivi, refractari și alte industrii sensibile la costuri

 

Caracteristici ale SiC de calitate semiconductoare:

• Cicluri lungi de creștere a substratului
• Controlul defectelor dificil
• Rate de randament scăzute
• Cost ridicat: Mii de dolari americani per substrat de 6 inci
• Piețe vizate: Electronică de înaltă performanță, precum dispozitive de alimentare și componente RF
  Odată cu dezvoltarea rapidă a vehiculelor cu energie nouă și a comunicațiilor 5G, cererea pieței crește exponențial.

 

5. Scenarii de aplicații diferențiate

 

SiC de calitate ceramică servește drept „cal de muncă industrial” în principal pentru aplicații structurale. Valorificând proprietățile sale mecanice excelente (duritate ridicată, rezistență la uzură) și proprietățile termice (rezistență la temperaturi ridicate, rezistență la oxidare), acesta excelează în:

 

• Abrazivi (discuri de șlefuit, șmirghel)
• Refractare (căptușeli de cuptor pentru temperaturi înalte)
• Componente rezistente la uzură/coroziune (corpuri de pompe, căptușeli de conducte)

 

Componente structurale ceramice din carbură de siliciu

 

SiC de calitate semiconductoare se comportă ca „elita electronică”, utilizând proprietățile sale semiconductoare cu bandă largă de decalaj pentru a demonstra avantaje unice în dispozitivele electronice:

 

• Dispozitive de alimentare: invertoare pentru vehicule electrice, convertoare de rețea (îmbunătățirea eficienței conversiei energiei)
• Dispozitive RF: stații de bază 5G, sisteme radar (care permit frecvențe de operare mai mari)
• Optoelectronică: Material substrat pentru LED-uri albastre

 

Placă epitaxială de SiC de 200 de milimetri

 

Dimensiune	SiC de calitate ceramică	SiC de calitate semiconductoră
Structura cristalină	Policristalin, politipuri multiple	Monocristal, politipuri strict selectate
Focalizare pe proces	Densificare și control al formei	Controlul calității cristalelor și al proprietăților electrice
Prioritate de performanță	Rezistență mecanică, rezistență la coroziune, stabilitate termică	Proprietăți electrice (banda interzisă, câmpul de străpungere etc.)
Scenarii de aplicații	Componente structurale, piese rezistente la uzură, componente rezistente la temperaturi înalte	Dispozitive de mare putere, dispozitive de înaltă frecvență, dispozitive optoelectronice
Factori de cost	Flexibilitatea procesului, costul materiilor prime	Rata de creștere a cristalelor, precizia echipamentului, puritatea materiei prime

 

În concluzie, diferența fundamentală provine din scopurile lor funcționale distincte: SiC de calitate ceramică utilizează „forma (structura)”, în timp ce SiC de calitate semiconductoare utilizează „proprietăți (electrice)”. Primul urmărește performanța mecanică/termică rentabilă, în timp ce cel de-al doilea reprezintă apogeul tehnologiei de preparare a materialelor ca material funcțional monocristalin de înaltă puritate. Deși au aceeași origine chimică, SiC de calitate ceramică și SiC de calitate semiconductoare prezintă diferențe clare în ceea ce privește puritatea, structura cristalină și procesele de fabricație - totuși, ambele aduc contribuții semnificative la producția industrială și la progresul tehnologic în domeniile lor respective.