Pochopte minulý život karbidu kremíka!

Karbid kremíka (SiC) sa taví pri vysokej teplote v odporovej peci s použitím kremenného piesku, ropného koksu (alebo uhoľného koksu) a drevených triesok ako surovín. Karbid kremíka existuje aj v prírode ako vzácny minerál, moissanit. Karbid kremíka sa tiež nazýva moissanit. Spomedzi súčasných neoxidových high-tech žiaruvzdorných surovín, ako sú C, N a B, je karbid kremíka najpoužívanejší a najhospodárnejší. Môže sa nazývať šmirgľový piesok alebo žiaruvzdorný piesok.

1. Minulý a súčasný život karbidu kremíka
Vďaka svojim stabilným chemickým vlastnostiam, vysokej tepelnej vodivosti, malému koeficientu tepelnej rozťažnosti a dobrej odolnosti proti opotrebeniu má karbid kremíka okrem použitia ako brúsivo mnoho ďalších použití, ako je poťahovanie práškového karbidu kremíka špeciálnym procesom na vnútornej stene obežné koleso turbíny alebo blok valca, môže zlepšiť jeho odolnosť proti opotrebovaniu a predĺžiť jeho životnosť 1 až 2 krát; pokročilý žiaruvzdorný materiál, ktorý je z neho vyrobený, je odolný voči tepelným šokom, má malé rozmery, nízku hmotnosť, vysokú pevnosť a má dobrý účinok na úsporu energie. Nízkokvalitný karbid kremíka (obsahujúci asi 85 % SiC) je vynikajúci dezoxidant. Môže urýchliť výrobu ocele, uľahčiť kontrolu chemického zloženia a zlepšiť kvalitu ocele. Okrem toho je karbid kremíka tiež široko používaný pri výrobe tyčí z karbidu kremíka pre elektrické vykurovacie telesá.
Karbid kremíka je veľmi tvrdý, s Mohsovou tvrdosťou 9,5, druhý za najtvrdším diamantom na svete (úroveň 10). Má vynikajúcu tepelnú vodivosť, je polovodičový a odoláva oxidácii pri vysokých teplotách.

2. Výhodné vlastnosti zariadení z karbidu kremíka
Karbid kremíka (SiC) je v súčasnosti najvyspelejším širokopásmovým polovodičovým materiálom. Krajiny po celom svete pripisujú výskumu SiC veľký význam a do aktívneho vývoja investovali veľa pracovných síl a materiálnych zdrojov. Nie sú to len Spojené štáty, Európa, Japonsko atď. Zodpovedajúce výskumné plány boli formulované na národnej úrovni a niektorí medzinárodní elektronickí giganti tiež veľa investovali do vývoja polovodičových zariadení z karbidu kremíka.
V porovnaní s obyčajným kremíkom majú komponenty používajúce karbid kremíka tieto vlastnosti:

Vlastnosti vysokého napätia:
Zariadenia z karbidu kremíka majú 10-krát väčší odpor napätia ako ekvivalentné kremíkové zariadenia.
Napäťový odpor Schottkyho trubíc z karbidu kremíka môže dosiahnuť 2400 V.
Trubice s efektom poľa z karbidu kremíka vydržia napätie desiatky tisíc voltov a ich odpor v zapnutom stave nie je príliš veľký.

Vysokofrekvenčné charakteristiky:

Vysokoteplotné vlastnosti:
Dnes, keď sa materiály Si blížia k teoretickému výkonnostnému limitu, boli výkonové zariadenia SiC vždy považované za „ideálne zariadenia“ a sú veľmi očakávané kvôli ich vysokému výdržnému napätiu, nízkym stratám, vysokej účinnosti a ďalším charakteristikám. V porovnaní s predchádzajúcimi zariadeniami z materiálu Si sa však rovnováha medzi výkonom a nákladmi na výkonové zariadenia SiC a ich dopyt po špičkovej technológii stanú kľúčom k tomu, či sa výkonové zariadenia SiC skutočne môžu stať populárnymi.

V súčasnosti z laboratória vstúpili do praktickej fázy výroby zariadení nízkoenergetické zariadenia z karbidu kremíka. V súčasnosti je cena doštičiek z karbidu kremíka stále pomerne vysoká a majú tiež veľa defektov. Vďaka nepretržitému výskumu a vývoju sa očakáva, že zariadenia z karbidu kremíka budú dominovať na trhu energetických zariadení približne do roku 2010. Ale nie je to tak.

3. Aká je súčasná situácia vo vývoji zariadení z karbidu kremíka?
1. Technické parametre: Napríklad napätie Schottkyho diódy sa zvýši z 250 voltov na viac ako 1,000 volt, plocha čipu je menšia, ale prúd je len niekoľko desiatok ampérov. Prevádzková teplota sa zvýši na 180 stupňov, čo je ďaleko od zavedenia 600 stupňov. Pokles napätia je ešte neuspokojivejší, nelíši sa od kremíkového materiálu a vysoký pokles napätia v priepuste musí dosiahnuť 2V.
2. Trhová cena: približne 5 až 6-krát vyššia ako pri výrobe silikónového materiálu.

4. Aké sú ťažkosti pri vývoji karbidu kremíka (SiC) zariadenia?Problémom pri vývoji zariadení z karbidu kremíka nie je principiálny návrh čipu, najmä návrh štruktúry čipu. Nie je ťažké to vyriešiť. Problém spočíva v realizácii výrobného procesu štruktúry čipu. Príklady sú nasledujúce: 1. Hustota defektov mikropipe doštičiek z karbidu kremíka. 2. Účinnosť epitaxného procesu je nízka. 3. Dopingový proces má špeciálne požiadavky.

4. Výroba ohmického kontaktu. 5. Teplotná odolnosť nosných materiálov.

Vyššie uvedené je len niekoľko príkladov, nie všetky. Stále existuje veľa problémov s procesmi, ktoré nemajú ideálne riešenia, ako je proces hĺbenia povrchu polovodičov z karbidu kremíka, proces terminálnej pasivácie a vplyv stavu rozhrania hradlovej oxidovej vrstvy na dlhodobú stabilitu zariadení MOSFET z karbidu kremíka. Dosiahlo odvetvie už konsenzus? Konzistentné závery atď. veľmi brzdili rýchly vývoj energetických zariadení z karbidu kremíka.

5. Prehľad vývoja hlavných oblastí použitia karbidu kremíka

V súčasnosti tretia generácia polovodičových materiálov spôsobuje revolúciu v čistej energii a novú generáciu elektronických informačných technológií. Či už ide o osvetlenie, domáce spotrebiče, zariadenia spotrebnej elektroniky, nové energetické vozidlá, inteligentné siete alebo vojenské dodávky, tieto vysokovýkonné polovodiče sú veľmi žiadané. Podľa vývoja polovodičov tretej generácie sú jeho hlavnými aplikáciami polovodičové osvetlenie, výkonové elektronické zariadenia, lasery a detektory a štyri ďalšie oblasti.
1. Polovodičové osvetlenie
Spomedzi štyroch aplikačných oblastí sa priemysel polovodičového osvetlenia rozvinul najrýchlejšie a vytvoril priemyselný rozsah v desiatkach miliárd dolárov.
2. Výkonové elektronické zariadenia
V oblasti výkonovej elektroniky sa práve začalo s aplikáciou polovodičov so širokým pásmovým odstupom a veľkosť trhu je len niekoľko stoviek miliónov amerických dolárov. Jeho uplatnenie sa sústreďuje najmä v oblasti špičkovej vojenskej techniky a postupne sa rozširuje aj do civilnej oblasti.
3. Lasery a detektory
V oblasti laserových a detektorových aplikácií môžu lasery na báze GaN pokryť široký rozsah spektra a realizovať výrobu modrých, zelených a ultrafialových laserov a ultrafialovú detekciu.
4. Iné aplikácie
V oblasti špičkového výskumu možno polovodiče so širokým pásmom použiť v solárnych článkoch, biosenzoroch, médiách na výrobu vodíka na vodnej báze a v iných nových aplikáciách. V súčasnosti sú tieto horúce oblasti stále v štádiu laboratórneho výskumu a vývoja.