Silisiumkarbidkeramikk vs. halvledersilisiumkarbid: Det samme materialet med to forskjellige skjebner

1. Avvikende renhetskrav for råvarer

 

Keramisk SiC har relativt lempelige renhetskrav for pulverråmaterialet sitt. Vanligvis kan produkter av kommersiell kvalitet med 90–98 % renhet dekke de fleste bruksområder, selv om høytytende strukturkeramikk kan kreve 98–99,5 % renhet (f.eks. krever reaksjonsbundet SiC kontrollert innhold av fritt silisium). Det tolererer visse urenheter og inkorporerer noen ganger bevisst sintringshjelpemidler som aluminiumoksid (Al₂O₃) eller yttriumoksid (Y₂O₃) for å forbedre sintringsytelsen, senke sintringstemperaturene og øke sluttproduktets tetthet.

 

Halvlederkvalitet SiC krever nesten perfekte renhetsnivåer. Substratkvalitets enkeltkrystall SiC krever ≥99,9999 % (6 N) renhet, mens noen avanserte applikasjoner trenger 7 N (99,99999 %) renhet. Epitaksiale lag må opprettholde urenhetskonsentrasjoner under 10¹⁶ atomer/cm³ (spesielt unngå dyptgående urenheter som B, Al og V). Selv spor av urenheter som jern (Fe), aluminium (Al) eller bor (B) kan påvirke de elektriske egenskapene alvorlig ved å forårsake spredning av bærer, redusere gjennomslagsfeltstyrken og til slutt kompromittere enhetens ytelse og pålitelighet, noe som nødvendiggjør streng urenhetskontroll.

 

Halvledermateriale av silisiumkarbid

 

2. Distinkte krystallstrukturer og kvalitet

 

Keramisk SiC finnes hovedsakelig som polykrystallinsk pulver eller sintrede legemer bestående av en rekke tilfeldig orienterte SiC-mikrokrystaller. Materialet kan inneholde flere polytyper (f.eks. α-SiC, β-SiC) uten streng kontroll over spesifikke polytyper, med vekt i stedet på generell materialtetthet og ensartethet. Den indre strukturen har rikelig med korngrenser og mikroskopiske porer, og kan inneholde sintringshjelpemidler (f.eks. Al₂O₃, Y₂O₃).

 

Halvlederkvalitets SiC må være enkeltkrystallsubstrater eller epitaksiale lag med svært ordnede krystallstrukturer. Det krever spesifikke polytyper oppnådd gjennom presisjonskrystallvekstteknikker (f.eks. 4H-SiC, 6H-SiC). Elektriske egenskaper som elektronmobilitet og båndgap er ekstremt følsomme for polytypevalg, noe som nødvendiggjør streng kontroll. For tiden dominerer 4H-SiC markedet på grunn av sine overlegne elektriske egenskaper, inkludert høy bærermobilitet og gjennomslagsfeltstyrke, noe som gjør det ideelt for kraftenheter.

 

3. Sammenligning av prosesskompleksitet

 

Keramisk SiC benytter relativt enkle produksjonsprosesser (pulverforberedelse → forming → sintring), analogt med «mursteinsfremstilling». Prosessen involverer:

 

• Blanding av SiC-pulver av kommersiell kvalitet (vanligvis mikronstørrelse) med bindemidler
• Forming via pressing
• Høytemperatursintring (1600–2200 °C) for å oppnå fortetting gjennom partikkeldiffusjon
  De fleste bruksområder kan tilfredsstilles med en tetthet på >90 %. Hele prosessen krever ikke presis krystallvekstkontroll, men fokuserer i stedet på formings- og sintringskonsistens. Fordelene inkluderer prosessfleksibilitet for komplekse former, men med relativt lavere renhetskrav.

 

Halvlederkvalitets SiC involverer langt mer komplekse prosesser (preparering av pulver med høy renhet → vekst av enkeltkrystallsubstrat → epitaksial waferavsetning → fabrikasjon av enheter). Viktige trinn inkluderer:

 

• Substratforberedelse primært via fysisk damptransport (PVT)-metode
• Sublimering av SiC-pulver under ekstreme forhold (2200–2400 °C, høyvakuum)
• Presis kontroll av temperaturgradienter (±1 °C) og trykkparametere
• Epitaksial lagvekst via kjemisk dampavsetning (CVD) for å lage jevnt tykke, dopede lag (vanligvis flere til titalls mikron)
  Hele prosessen krever ultrarene miljøer (f.eks. klasse 10 renrom) for å forhindre forurensning. Kjennetegnene inkluderer ekstrem prosesspresisjon, som krever kontroll over termiske felt og gassstrømningshastigheter, med strenge krav til både råmaterialets renhet (>99,9999 %) og utstyrets sofistikasjon.

 

4. Vesentlige kostnadsforskjeller og markedsorienteringer

 

Funksjoner i keramisk SiC:

• Råmateriale: Pulver av kommersiell kvalitet
• Relativt enkle prosesser
• Lav kostnad: Tusenvis til titusenvis av RMB per tonn
• Brede bruksområder: Slipemidler, ildfaste materialer og andre kostnadssensitive industrier

 

Funksjoner i SiC av halvlederkvalitet:

• Lange substratvekstsykluser
• Utfordrende feilkontroll
• Lave avkastningsrater
• Høy kostnad: Tusenvis av USD per 6-tommers substrat
• Fokuserte markeder: Høyytelseselektronikk som strømforsyninger og RF-komponenter
  Med den raske utviklingen av nye energikjøretøyer og 5G-kommunikasjon vokser markedets etterspørsel eksponentielt.

 

5. Differensierte applikasjonsscenarier

 

Keramisk SiC fungerer som den «industrielle arbeidshesten» primært for strukturelle applikasjoner. Ved å utnytte sine utmerkede mekaniske egenskaper (høy hardhet, slitestyrke) og termiske egenskaper (høy temperaturbestandighet, oksidasjonsmotstand), utmerker den seg innen:

 

• Slipemidler (slipeskiver, sandpapir)
• Ildfaste materialer (foringer i høytemperaturovner)
• Slitasje-/korrosjonsbestandige komponenter (pumpehus, rørforinger)

 

Strukturkomponenter i silisiumkarbid, keramiske

 

Halvlederkvalitets SiC fungerer som den «elektroniske eliten», og bruker sine halvlederegenskaper med bredt båndgap for å demonstrere unike fordeler i elektroniske enheter:

 

• Strømforsyninger: EV-omformere, nettomformere (forbedring av effektiviteten i strømkonvertering)
• RF-enheter: 5G-basestasjoner, radarsystemer (som muliggjør høyere driftsfrekvenser)
• Optoelektronikk: Substratmateriale for blå LED-er

 

200-millimeter SiC epitaksial wafer

 

Dimensjon	Keramisk SiC	SiC av halvlederkvalitet
Krystallstruktur	Polykrystallinsk, flere polytyper	Enkeltkrystall, strengt utvalgte polytyper
Prosessfokus	Fortetting og formkontroll	Krystallkvalitet og elektrisk egenskapskontroll
Ytelsesprioritet	Mekanisk styrke, korrosjonsbestandighet, termisk stabilitet	Elektriske egenskaper (båndgap, gjennomslagsfelt osv.)
Søknadsscenarier	Strukturkomponenter, slitesterke deler, høytemperaturkomponenter	Høyeffektsenheter, høyfrekvente enheter, optoelektroniske enheter
Kostnadsdrivere	Prosessfleksibilitet, råvarekostnader	Krystallveksthastighet, utstyrspresisjon, råmaterialers renhet

 

Oppsummert stammer den grunnleggende forskjellen fra deres distinkte funksjonelle formål: SiC av keramisk kvalitet benytter «form (struktur)», mens SiC av halvlederkvalitet benytter «egenskaper (elektriske)». Førstnevnte forfølger kostnadseffektiv mekanisk/termisk ytelse, mens sistnevnte representerer toppen av materialforberedelsesteknologi som høyrens, enkeltkrystallfunksjonelt materiale. Selv om de deler samme kjemiske opprinnelse, viser keramisk og halvlederkvalitet SiC klare forskjeller i renhet, krystallstruktur og produksjonsprosesser – men begge bidrar betydelig til industriell produksjon og teknologisk fremgang innen sine respektive domener.