Карбид кремния обладает превосходными свойствами в качестве полупроводникового материала, особенно для силовых компонентов, используемых в преобразовании энергии и управлении.По сравнению с традиционными кремниевыми устройствами, он обеспечивает низкое сопротивление в открытом состоянии, высокую скорость переключения, а также работу при высоких температурах и напряжениях, поэтому он очень популярен в источниках питания, автомобилях, железнодорожном транспорте, промышленном оборудовании и бытовой электронике. Хотя SiC в конечном итоге можно производить методом искусственного синтеза, массовое производство силовых компонентов из SiC когда-то представляло собой серьезную проблему для исследователей из-за чрезвычайно сложной обработки.

※ Что такое карбид кремния (SiC)?

Карбид кремния — это сложный полупроводниковый материал, состоящий из элементов углерода и кремния.Карбид кремния (SiC), нитрид галлия (GaN), нитрид алюминия (ALN), оксид галлия (Ga2O3) и др. в совокупности называются широкозонными полупроводниковыми материалами, поскольку ширина запрещенной зоны превышает 2.2 эВ. В Китае их также называют полупроводниковыми материалами третьего поколения.

С точки зрения материального обеспечения, полупроводниковая промышленность делится на следующие категории:

Полупроводниковые материалы первого поколения: такие как кремний (Si) и германий (Ge);

Полупроводниковые материалы второго поколения: такие как арсенид галлия (GaAs), фосфид индия (InP) и др.;

Третье поколение широкозонных материалов: такие как карбид кремния (SiC), нитрид галлия (GaN), нитрид алюминия (ALN), оксид галлия (Ga2O3) и др.

Среди них карбид кремния и нитрид галлия являются полупроводниковыми материалами с наиболее блестящими коммерческими перспективами на сегодняшний день и могут быть названы новым поколением «золотой жилы» в полупроводниковой промышленности.

Впервые карбид кремния был обнаружен в истории в 1891 году. Американец Ачесон обнаружил соединение углерода при электролизе алмаза. Это был первый синтез и открытие карбида кремния. После ста лет исследований, особенно в начале XXI века, человечество наконец-то выяснило преимущества и характеристики карбида кремния и использовало его свойства для создания различных новых устройств. Индустрия карбида кремния быстро развивается.

По сравнению с традиционными кремниевыми материалами, ширина запрещенной зоны карбида кремния в 3 раза больше, чем у кремния; теплопроводность в 4-5 раз выше, чем у кремния; напряжение пробоя в 8 раз выше, чем у кремния; а скорость дрейфа насыщения электронов в 2 раза выше, чем у кремния.Различные характеристики делают карбид кремния особенно подходящим для производства высокочастотных и мощных устройств, способных выдерживать высокие температуры, высокие напряжения и высокие токи.

В настоящее время известно около 200 форм кристаллической структуры карбида кремния, включая кубическую плотноупакованную α-кристаллическую структуру сфалерита (2H, 4H, 6H, 15R) и гексагональную плотноупакованную β-кристаллическую структуру вюрцита (3C-SiC).

Среди них β-кристаллическая структура (3C-SiC) может быть использована для производства высокочастотных устройств и подложек для других тонкопленочных материалов, таких как выращивание эпитаксиальных слоев нитрида галлия и производство микроволновых радиочастотных устройств на основе карбида кремния и нитрида галлия. α-кристаллическая форма 4H может быть использована для создания мощных устройств; 6H является наиболее стабильной и может быть использована для создания оптоэлектронных устройств.

※ Преимущества карбида кремния в плане эксплуатационных характеристик

Если рассматривать только чипы из карбида кремния, то в сегменте силовых полупроводников карбид кремния обладает несравненными преимуществами перед традиционными кремниевыми силовыми чипами: он выдерживает больший ток и напряжение, имеет более высокую скорость переключения, меньшие потери энергии и более устойчив к высоким температурам. Поэтому силовые модули из карбида кремния позволяют соответственно уменьшить количество конденсаторов, индукторов, катушек и теплоотводящих элементов, что делает весь силовой модуль более легким, энергосберегающим и обеспечивает более высокую выходную мощность. Это также повышает надежность. Преимущества очевидны. Вкратце, преимущества можно резюмировать следующим образом:

1. Более низкое сопротивление обеспечивает меньшие габариты изделия и более высокую эффективность;

2. Подходит для более высоких частот и более высокой скорости переключения;

3. Превосходные высокотемпературные характеристики, способность работать при более высоких температурах.

※ Почему карбид кремния такой дорогой?

Всем известно, что карбид кремния имеет огромные коммерческие перспективы в будущем, но каждый, кто приходит в эту отрасль, столкнется с первой и самой практической проблемой: что делать с этим материалом?

По меньшей мере половина причин чрезвычайно развитой деловой среды традиционных отраслей промышленности, основанных на кремнии, заключается в том, что кремниевые материалы относительно легко достать.Благодаря зрелой и эффективной технологии получения кремниевых материалов, в настоящее время они очень дешевы. Сейчас полированная кремниевая пластина диаметром 6 дюймов стоит всего 150 юаней, 8-дюймовая — 300 юаней, а 12-дюймовая — около 850 юаней.

Масштабы развития отрасли можно будет расширить только тогда, когда сырье станет достаточно дешевым!

В настоящее время, используя метод Чохральского, за 72 часа можно вырастить монокристаллический стержень из кремния длиной около 2-3 метров, и с помощью одного монокристаллического стержня можно одновременно разрезать тысячи кремниевых пластин.

Вы знаете, какой толщины можно вырастить монокристалл карбида кремния за 72 часа? Менее нескольких сантиметров!!!

В настоящее время самый быстрый метод выращивания монокристаллов карбида кремния имеет скорость роста около 0.1–0.2 мм/ч, поэтому толщина кристалла составляет всего 7.2–14.4 мм за 72 часа.

Можно представить, насколько дорогими могут быть отдельные кремниевые пластины из карбида кремния. В настоящее время цена 4-дюймовых подложек из карбида кремния составляет около 2,000-3,000 юаней, а 6-дюймовых – 6,000-8,000 юаней. Эпитаксиальные пластины стоят как минимум дороже, чем пластины X2, и их по-прежнему сложно найти в продаже.

Компания Cree из США, являясь ведущим мировым производителем карбида кремния, практически монополизирует более 70% производственных мощностей. Поэтому отечественные и зарубежные производители, работающие в смежных отраслях, заключают с Cree долгосрочные контракты, чтобы закрепить за собой производственные мощности.

※ Рынок карбида кремния

МОП-транзисторы и диоды на основе карбида кремния используются в солнечной энергетике, источниках бесперебойного питания, промышленности, автомобилестроении и других областях:В основном кремний-карбид (SiC) используется в инверторах для фотоэлектрических накопителей энергии, источниках бесперебойного питания для серверов центров обработки данных, зарядных станциях интеллектуальных сетей и других областях, требующих высокой эффективности преобразования. Однако с развитием электромобилей и гибридных автомобилей (xEV) в последние годы SiC также быстро завоевал популярность в этой новой области. К отраслям, использующим его в качестве излучающего материала, относятся энергетика (фотоэлектрические системы, зарядка электромобилей, интеллектуальные сети и т. д.), автомобилестроение (оболочечные преобразователи, инверторы), инфраструктура (серверы) и др.

В заключение можно сказать, что в ближайшем будущем мы можем предвидеть революционное влияние карбида кремния на индустрию силовой электроники!

Предупреждение: Данная статья перепечатана из журнала "Today's Semiconductor", который поддерживает защиту прав интеллектуальной собственности. Пожалуйста, укажите первоисточник и автора перепечатки. В случае нарушения авторских прав, пожалуйста, свяжитесь с нами для удаления публикации.

Номер телефона компании: +86-0755-83044319
Факс: +86-0755-83975897
Почта: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Менеджер Ли

QQ: 332496225 Менеджер Цю

Адрес: Комната 809, корпус C, технологический корпус Чжаньтао, проспект Миньчжи, 1079, новый район Лунхуа, Шэньчжэнь.