SiC posiada doskonałe właściwości jako materiał półprzewodnikowy, zwłaszcza w elementach mocy stosowanych w przetwarzaniu i sterowaniu energią.W porównaniu z tradycyjnymi elementami krzemowymi, charakteryzuje się niską rezystancją w stanie przewodzenia, dużą szybkością przełączania oraz pracą w wysokich temperaturach i przy wysokim napięciu, co czyni go bardzo popularnym w zasilaczach, samochodach, kolejnictwie, urządzeniach przemysłowych i domowych urządzeniach elektronicznych. Chociaż SiC można obecnie wytwarzać metodą sztucznej syntezy, masowa produkcja komponentów mocy SiC niegdyś stanowiła dla badaczy problem ze względu na niezwykle trudny proces obróbki.

※ Czym jest węglik krzemu (SiC)?

Węglik krzemu to złożony materiał półprzewodnikowy składający się z pierwiastków węgla i krzemu.Węglik krzemu (SiC), azotek galu (GaN), azotek glinu (ALN), tlenek galu (Ga2O3) itp. są zbiorczo nazywane materiałami półprzewodnikowymi o szerokiej przerwie energetycznej, ponieważ szerokość przerwy energetycznej jest większa niż 2.2 eV. W Chinach nazywa się je również materiałami półprzewodnikowymi trzeciej generacji.

Pod względem materiałowym przemysł półprzewodnikowy dzieli się na:

Materiały półprzewodnikowe pierwszej generacji: takie jak krzem (Si) i german (Ge);

Materiały półprzewodnikowe złożone drugiej generacji: takie jak arsenek galu (GaAs), fosforek indu (InP) itp.;

Trzecia generacja materiałów o szerokiej przerwie energetycznej: takie jak węglik krzemu (SiC), azotek galu (GaN), azotek glinu (ALN), tlenek galu (Ga2O3) itp.

Wśród nich węglik krzemu i azotek galu są materiałami półprzewodnikowymi, które mają obecnie największe perspektywy komercyjne i można je nazwać nową generacją „złotego szlaku” w przemyśle półprzewodnikowym.

Węglik krzemu po raz pierwszy w historii odkryto w 1891 roku. Amerykanin Acheson odkrył związek węgla podczas elektrolizy diamentu. Była to pierwsza synteza i odkrycie węglika krzemu. Po stu latach badań, a zwłaszcza po wejściu w XXI wiek, ludzkość w końcu zrozumiała zalety i właściwości węglika krzemu i wykorzystała je do produkcji wielu nowych urządzeń. Przemysł węglika krzemu rozwijał się dynamicznie.

W porównaniu z tradycyjnymi materiałami krzemowymi, przerwa pasmowa węglika krzemu jest 3 razy większa niż krzemu; przewodność cieplna jest 4-5 razy większa niż krzemu; napięcie przebicia jest 8 razy większe niż krzemu; a szybkość dryfu nasycenia elektronów jest 2 razy większa niż krzemu.Różnorodne właściwości węglika krzemu sprawiają, że jest on szczególnie odpowiedni do produkcji urządzeń o dużej częstotliwości i dużej mocy, które mogą wytrzymać wysokie temperatury, wysokie napięcia i wysokie prądy.

Obecnie znanych jest około 200 form struktury krystalicznej węglika krzemu, w tym sześcienna, gęsto upakowana struktura krystaliczna sfalerytu α (2H, 4H, 6H, 15R) i heksagonalna, gęsto upakowana struktura krystaliczna wurcytu β (3C-SiC).

Spośród nich strukturę krystaliczną β (3C-SiC) można wykorzystać do wytwarzania urządzeń o wysokiej częstotliwości oraz podłoży dla innych materiałów cienkowarstwowych, np. do tworzenia warstw epitaksjalnych azotku galu i wytwarzania urządzeń mikrofalowych o częstotliwości radiowej na bazie węglika krzemu z azotku galu. Formę krystaliczną α 4H można wykorzystać do wytwarzania urządzeń o dużej mocy; 6H jest najbardziej stabilna i można ją stosować do wytwarzania urządzeń optoelektronicznych.

※ Zalety węglika krzemu w zakresie wydajności

Jeśli weźmiemy pod uwagę tylko układy scalone z węglika krzemu, w kontekście półprzewodników mocy, węglik krzemu ma niezrównane zalety w porównaniu z tradycyjnymi układami scalonymi na bazie krzemu: wytrzymuje większe natężenie prądu i napięcia, wyższą prędkość przełączania, mniejsze straty energii i jest bardziej odporny na wysokie temperatury. Dlatego moduły mocy wykonane z węglika krzemu pozwalają odpowiednio zredukować liczbę elementów składowych kondensatorów, cewek indukcyjnych, cewek i elementów rozpraszających ciepło, dzięki czemu cały moduł urządzenia mocy jest lżejszy, energooszczędny i charakteryzuje się większą mocą wyjściową. Zwiększa to również niezawodność. Zalety są oczywiste. Szczegółowy opis przedstawia się następująco:

1. Niższa impedancja przekłada się na mniejsze rozmiary konstrukcji produktu i wyższą wydajność;

2. Nadaje się do wyższej częstotliwości i szybszej prędkości przełączania;

3. Doskonałe właściwości wysokotemperaturowe, możliwość pracy w wyższych temperaturach.

※ Dlaczego węglik krzemu jest tak drogi?

Wszyscy wiedzą, że węglik krzemu ma w przyszłości ogromne perspektywy biznesowe, ale każdy, kto wejdzie w tę branżę, spotka się z pierwszym i najbardziej praktycznym problemem: co zrobić z tym materiałem?

Przynajmniej w połowie przypadków wyjątkowo dojrzałe środowisko biznesowe tradycyjnych gałęzi przemysłu opartych na krzemie wynika z faktu, że materiały krzemowe są stosunkowo łatwe do zdobycia.Dojrzała i wydajna technologia przygotowania materiałów krzemowych sprawia, że ​​są one obecnie bardzo tanie. Obecnie 6-calowy polerowany wafel krzemowy kosztuje zaledwie 150 juanów, 8-calowy 300 juanów, a 12-calowy około 850 juanów.

Tylko wtedy, gdy surowce będą wystarczająco tanie, będzie można rozwinąć skalę przemysłu!

Obecnie metodą Czochralskiego można wyhodować pręt monokrystaliczny krzemu o długości około 2-3 metrów w ciągu 72 godzin, a jeden pręt monokrystaliczny może jednocześnie ciąć tysiące płytek krzemowych.

Czy wiesz, jak gruby może być monokryształ węglika krzemu w ciągu 72 godzin? Mniej niż kilka centymetrów! ! !

Obecnie najszybsza metoda hodowli monokryształów węglika krzemu charakteryzuje się szybkością wzrostu wynoszącą około 0.1 mm/h-0.2 mm/h, co oznacza, że ​​grubość kryształu wynosi zaledwie 7.2 mm~14.4 mm w ciągu 72 godzin.

Można sobie zatem wyobrazić, jak drogie mogą być pojedyncze płytki z węglika krzemu. Obecnie cena 4-calowych podłoży z węglika krzemu wynosi około 2,000-3,000 juanów, a cena 6-calowych osiągnęła poziom 6,000-8,000 juanów. Płytki epitaksjalne są co najmniej droższe niż X2, a ich cena wciąż jest wysoka i niedostępne.

Jako wiodący na świecie producent węglika krzemu, amerykańska firma Cree niemal monopolizuje ponad 70% mocy produkcyjnych. W związku z tym krajowi i zagraniczni producenci podpisali długoterminowe umowy z Cree, aby zabezpieczyć moce produkcyjne.

※ Rynek węglika krzemu

Tranzystory MOSFET z węglika krzemu i diody z węglika krzemu stosowane są w aplikacjach solarnych, UPS, przemysłowych, motoryzacyjnych i innych:Koncentruje się głównie na falownikach do magazynowania energii fotowoltaicznej, zasilaczach UPS do serwerów centrów danych, stacjach ładowania inteligentnych sieci energetycznych i innych obszarach wymagających wysokiej sprawności konwersji. Jednak wraz z rozwojem pojazdów elektrycznych i hybrydowych (xEV) w ostatnich latach, SiC szybko pojawił się również w tej nowej dziedzinie. Branże, które generują wysokie poziomy emisji, to energetyka (fotowoltaika, ładowanie pojazdów elektrycznych, inteligentne sieci energetyczne itp.), motoryzacja (OBC, falowniki), infrastruktura (serwery) itp.

Podsumowując, w niedalekiej przyszłości możemy przewidzieć, że węglik krzemu będzie miał rewolucyjny wpływ na przemysł elektroniki mocy!

Zastrzeżenie: Niniejszy artykuł został przedrukowany z czasopisma „Today's Semiconductor”, które wspiera ochronę praw własności intelektualnej. Prosimy o podanie oryginalnego źródła i autora przedruku. W przypadku naruszenia prosimy o kontakt w celu usunięcia przedruku.

Numer telefonu firmy: +86-0755-83044319
Faks/FAKS: +86-0755-83975897
E-mail: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Menedżer Li

QQ: 332496225 Menedżer Qiu

Adres: Pokój 809, Budynek C, Budynek Technologii Zhantao, nr 1079 Minzhi Avenue, Nowa Dzielnica Longhua, Shenzhen