Zvláštní výzkumná zpráva o průmyslu karbidu křemíku: růst nových energetických vozidel a odvětví fotovoltaických pohonů(1)
1. SiC má vynikající elektrické vlastnosti a očekává se, že se stane jedním z nejslibnějších polovodičových materiálů
Vývoj polovodičových materiálů prošel třemi etapami. Mezi běžné polovodičové materiály patří křemík (A), germanium (Ge) a další prvky polovodiče a složené polovodičové materiály, jako je arsenid gallia (GaAs), karbid křemíku (SiC), nitrid gallia (GaN). Z časové posloupnosti výzkumu a rozsáhlé aplikace, výše uvedené polovodičové materiály jsou obecně v průmyslu rozděleny do tří generací.
Polovodičové materiály první generace byly široce používány od 50. let minulého století, reprezentovaný křemíkem (A) a germanium (Ge). Průmyslový řetězec takových materiálů je poměrně vyspělý, s kompletními technickými rezervami a nízkými výrobními náklady. V současnosti, používají se především v rozsáhlých integrovaných obvodech, včetně nízkonapěťového, nízká frekvence, nízkovýkonové tranzistory a detektory.
Polovodičové materiály na bázi křemíku jsou v současnosti nejprodávanějším a nejpoužívanějším polovodičovým materiálem, a více než 90% polovodičových produktů jsou vyrobeny z materiálů na bázi křemíku.
Polovodičové materiály druhé generace jsou široce používány od 90. let 20. století, reprezentovaný arsenidem galia (GaAs) a fosfid india (InP). S rozvojem polovodičového průmyslu, stále více se objevuje fyzické úzké hrdlo křemíkového materiálu, a jeho fyzikální vlastnosti omezují jeho použití v optoelektronice a vysokofrekvenčních vysokovýkonových zařízeních. Polovodičové materiály druhé generace mají vlastnosti přímého zakázaného pásma ve fyzické struktuře.
Ve srovnání s materiály na bázi silikonu, mají výhodu dobrého fotoelektrického výkonu, vysoká pracovní frekvence, odolnost vůči vysokým teplotám a radiaci. Jsou vhodné pro vysokorychlostní výrobu, vysoká frekvence, vysoce výkonná a světlo emitující elektronická zařízení. Jsou to vynikající materiály pro výrobu vysoce výkonných mikrovln, zařízení s milimetrovými vlnami a zařízení vyzařující světlo, a jsou široce používány v mobilních komunikacích, satelitní komunikace, optické komunikace, GPS navigace a další obory.
Polovodič třetí generace je složený polovodič reprezentovaný nitridem gallia (GaN) a karbid křemíku (SiC). Šířka zakázaného pásma tohoto typu polovodičového materiálu je větší nebo rovna 2,3 eV, proto se také nazývá polovodičový materiál se širokým pásmem. Polovodič třetí generace má významné výhody v klíčových parametrech, jako je šířka pásma, průrazné elektrické pole, tepelná vodivost, rychlost elektronické saturace, a radiační odolnost, splňující potřeby moderního průmyslu na vysoký výkon, vysokého napětí, a vysokou frekvencí.
Proto, polovodič třetí generace se používá hlavně k výrobě vysokorychlostních, vysoká frekvence, vysoce výkonné a světlo emitující elektronické součástky. Mezi navazující aplikace patří smart grid, nová energetická vozidla, fotovoltaická větrná energie, 5G komunikace, atd.
Úvod do SiC materiálů. SiC je anorganická látka s chemickým vzorcem SiC. Je vyroben z křemičitého písku, ropný koks (nebo uhelný koks), dřevěné třísky (sůl je potřebná k výrobě zeleného SiC) a dalších surovin tavením v odporové peci při vysoké teplotě.
SiC se v přírodě vyskytuje také jako vzácný minerál, mullit. Mezi C, N, B a další neoxidové high-tech žáruvzdorné materiály, SiC je nejrozšířenější a nejhospodárnější, který lze nazvat smirkovým nebo žáruvzdorným pískem. Očekává se, že SiC se stane jedním z nejslibnějších materiálů v oblasti polovodičových materiálů.
Ve srovnání s křemíkovými zařízeními, výkonová zařízení na bázi SiC mají elektrické vlastnosti, jako je vysokonapěťová odolnost, vysoká teplotní odolnost a nízké energetické ztráty, a jsou jedním z nejslibnějších polovodičových materiálů. Vynikající elektrické vlastnosti SiC zahrnují následující aspekty:
1 Odolnost proti vysokému napětí. Protože intenzita elektrického pole SiC je větší než 10 krát větší než u křemíku, zařízení připravené s SiC může dále zlepšit kapacitu výdržného napětí, provozní frekvence a proudová hustota, a výrazně snížit ztrátu vedení zařízení.
2 Vysoká teplotní odolnost. Čím širší je pásmový rozdíl, tím vyšší bude limitní provozní teplota zařízení. Protože pásmová mezera SiC je téměř trojnásobná oproti křemíku, mezní provozní teplota SiC bude výrazně vyšší než u křemíku, která může dosáhnout více než 600 ℃. Ve stejnou dobu, tepelná vodivost SiC je vyšší než u křemíku, což pomáhá snížit požadavky na chladicí systém a učinit terminál lehčím a menším.
3 Nízká energetická ztráta. SiC má dvojnásobnou rychlost driftu nasycených elektronů než křemík. Ve srovnání s křemíkem, SiC má velmi nízký odpor a nízké ztráty; Ve stejnou dobu, SiC má téměř 3 krát šířka zakázaného pásu křemíku, a svodový proud je výrazně snížen ve srovnání s křemíkovými zařízeními, což může dále snížit ztrátu energie; Dále, Zařízení SiC nemají proudový tail během procesu vypínání, a spínací ztráta je nízká, což výrazně zlepšuje spínací frekvenci v praktických aplikacích.
Obecně, SiC má vynikající vlastnosti, jako je odolnost proti vysokému tlaku, vysoká teplotní odolnost a nízké energetické ztráty, které mohou splnit nové požadavky technologie výkonové elektroniky na vysoké teploty, vysoký výkon, vysokého napětí, vysoká frekvence, odolnost vůči radiaci a jiným náročným pracovním podmínkám, a očekává se, že se stane jedním z nejslibnějších materiálů v oblasti polovodičových materiálů.
