Særlig forskningsrapport om siliciumcarbidindustrien: vækst af nye energikøretøjer og solcelledrev industri(1)
1. SiC har fremragende elektriske egenskaber og forventes at blive et af de mest lovende halvledermaterialer
Udviklingen af halvledermaterialer har gennemgået tre faser. Almindelige halvledermaterialer omfatter silicium (Og), germanium (Ge) og andre grundstofhalvledere og sammensatte halvledermaterialer såsom galliumarsenid (GaAs), siliciumcarbid (SiC), galliumnitrid (GaN). Fra tidssekvensen af forskning og storstilet anvendelse, ovenstående halvledermaterialer er generelt opdelt i tre generationer i industrien.
Den første generation af halvledermaterialer har været meget brugt siden 1950'erne, repræsenteret ved silicium (Og) og germanium (Ge). Den industrielle kæde af sådanne materialer er relativt moden, med komplette tekniske reserver og lave produktionsomkostninger. På nuværende tidspunkt, de bruges hovedsageligt i integrerede kredsløb i stor skala, herunder lavspænding, lavfrekvent, laveffekt transistorer og detektorer.
Siliciumbaserede halvledermaterialer er i øjeblikket det største output og mest udbredte halvledermaterialer, og mere end 90% af halvlederprodukter er lavet af siliciumbaserede materialer.
Anden generation af halvledermaterialer har været meget brugt siden 1990'erne, repræsenteret ved galliumarsenid (GaAs) og indiumphosphid (InP). Med udviklingen af halvlederindustrien, den fysiske flaskehals af siliciummateriale dukker i stigende grad op, og dets fysiske egenskaber begrænser dets anvendelse i optoelektronik og højfrekvente højeffektenheder. Anden generation af halvledermaterialer har karakteristika af direkte båndgab i fysisk struktur.
Sammenlignet med siliciumbaserede materialer, de har fordelene ved god fotoelektrisk ydeevne, høj driftsfrekvens, høj temperaturbestandighed og strålingsmodstand. De er velegnede til at lave højhastigheds, høj frekvens, højeffekt og lysemitterende elektroniske enheder. De er fremragende materialer til fremstilling af højtydende mikrobølgeovne, millimeterbølgeanordninger og lysemitterende enheder, og er meget brugt i mobilkommunikation, satellitkommunikation, optisk kommunikation, GPS-navigation og andre felter.
Den tredje generation af halvleder er en sammensat halvleder repræsenteret ved galliumnitrid (GaN) og siliciumcarbid (SiC). Båndgabets bredde af denne type halvledermateriale er større end eller lig med 2,3 eV, så det kaldes også wide band gap halvledermateriale. Den tredje generation af halvledere har betydelige fordele med hensyn til nøgleparametre såsom båndgabbredde, nedbrydning elektrisk felt, varmeledningsevne, elektronisk mætningshastighed, og strålingsmodstand, opfylder moderne industris behov for høj effekt, højspænding, og høj frekvens.
Derfor, den tredje generation af halvledere bruges hovedsageligt til at lave højhastigheds, høj frekvens, højeffekt og lysemitterende elektroniske komponenter. Downstream-applikationer inkluderer smart grid, nye energikøretøjer, solcelle vindkraft, 5G kommunikation, etc.
Introduktion til SiC materialer. SiC er et uorganisk stof med den kemiske formel SiC. Den er lavet af kvartssand, petroleumskoks (eller kulkoks), træflis (salt er nødvendigt for at producere grøn SiC) og andre råmaterialer ved smeltning i en modstandsovn ved høj temperatur.
SiC findes også i naturen som et sjældent mineral, mullit. Blandt C, N, B og andre ikke-oxiderede højteknologiske ildfaste materialer, SiC er den mest udbredte og økonomiske, som kan kaldes smergel eller ildfast sand. SiC forventes at blive et af de mest lovende materialer inden for halvledermaterialer.
Sammenlignet med silicium enheder, kraftenheder baseret på SiC har elektriske egenskaber såsom højspændingsmodstand, høj temperaturmodstand og lavt energitab, og er et af de mest lovende halvledermaterialer. SiC's overlegne elektriske egenskaber omfatter følgende aspekter:
1 Højspændingsmodstand. Da nedbrydningen elektrisk feltstyrke af SiC er mere end 10 gange mere end silicium, enheden forberedt med SiC kan yderligere forbedre modstå spændingskapaciteten, driftsfrekvens og strømtæthed, og reducere enhedens ledningstab betydeligt.
2 Høj temperatur modstand. Jo større båndgabet er, jo højere vil enhedens begrænsende driftstemperatur være. Da båndgabet af SiC er tæt på tre gange af silicium, den begrænsende driftstemperatur for SiC vil være væsentligt højere end for silicium, som kan nå mere end 600 ℃. På samme tid, den termiske ledningsevne af SiC er højere end for silicium, hvilket er med til at mindske kravene til kølesystemet og gøre terminalen lettere og mindre.
3 Lavt energitab. SiC har en mættet elektrondriftshastighed, der er dobbelt så stor som silicium. Sammenlignet med silicium, SiC har en meget lav modstand og lav tab; På samme tid, SiC har næsten 3 gange båndgabets bredde af silicium, og lækstrømmen er væsentligt reduceret sammenlignet med siliciumenheder, hvilket kan reducere strømtabet yderligere; Desuden, SiC-enheder har ikke strømafgang under sluk-processen, og koblingstabet er lavt, hvilket i høj grad forbedrer omskiftningsfrekvensen i praktiske applikationer.
Generelt, SiC har overlegne egenskaber såsom høj trykmodstand, høj temperaturmodstand og lavt energitab, som kan opfylde de nye krav til kraftelektronikteknologi til høj temperatur, høj effekt, højspænding, høj frekvens, strålingsmodstand og andre barske arbejdsforhold, og forventes at blive et af de mest lovende materialer inden for halvledermaterialer.
