Silicon Carbide Ceramics kumpara sa Semiconductor Silicon Carbide: Ang Parehong Materyal na may Dalawang Magkaibang Tadhana

1. Divergent Purity Requirements para sa Raw Materials

 

Ang Ceramic-grade SiC ay may medyo maluwag na mga kinakailangan sa kadalisayan para sa powder feedstock nito. Karaniwan, ang mga produktong pangkomersyo na may 90%-98% na kadalisayan ay maaaring matugunan ang karamihan sa mga pangangailangan sa aplikasyon, bagaman ang mataas na pagganap ng mga istrukturang ceramics ay maaaring mangailangan ng 98%-99.5% na kadalisayan (hal., ang SiC na nakagapos sa reaksyon ay nangangailangan ng kontroladong libreng nilalaman ng silicon). Pinahihintulutan nito ang ilang partikular na dumi at kung minsan ay sadyang isinasama ang mga pantulong sa sintering tulad ng aluminum oxide (Al₂O₃) o yttrium oxide (Y₂O₃) upang pahusayin ang performance ng sintering, babaan ang temperatura ng sintering, at pahusayin ang final density ng produkto.

 

Hinihingi ng Semiconductor-grade SiC ang halos perpektong antas ng kadalisayan. Ang substrate-grade solong kristal SiC ay nangangailangan ng ≥99.9999% (6N) kadalisayan, na may ilang mga high-end na application na nangangailangan ng 7N (99.99999%) kadalisayan. Dapat mapanatili ng mga epitaxial layer ang mga konsentrasyon ng impurity sa ibaba 10¹⁶ atoms/cm³ (lalo na ang pag-iwas sa mga deep-level na impurities tulad ng B, Al, at V). Kahit na ang mga bakas na impurities gaya ng iron (Fe), aluminum (Al), o boron (B) ay maaaring malubhang makaapekto sa mga electrical properties sa pamamagitan ng pagdudulot ng carrier scattering, pagbabawas ng breakdown field strength, at sa huli ay pagkompromiso sa performance at reliability ng device, na nangangailangan ng mahigpit na kontrol sa impurity.

 

Silicon carbide semiconductor na materyal

 

2. Mga Katangi-tanging Istraktura at Kalidad ng Kristal

 

Ang Ceramic-grade SiC ay pangunahing umiiral bilang polycrystalline powder o sintered na katawan na binubuo ng maraming random na naka-orient na SiC microcrystals. Ang materyal ay maaaring maglaman ng maraming polytype (hal., α-SiC, β-SiC) nang walang mahigpit na kontrol sa mga partikular na polytype, na may diin sa halip sa pangkalahatang density at pagkakapareho ng materyal. Ang panloob na istraktura nito ay nagtatampok ng masaganang mga hangganan ng butil at mga maliliit na butas, at maaaring naglalaman ng mga pantulong sa sintering (hal., Al₂O₃, Y₂O₃).

 

Ang Semiconductor-grade SiC ay dapat na mga single-crystal na substrate o epitaxial layer na may napakaayos na mga istrukturang kristal. Nangangailangan ito ng mga tiyak na polytype na nakuha sa pamamagitan ng mga katumpakan na diskarte sa paglaki ng kristal (hal., 4H-SiC, 6H-SiC). Ang mga katangiang elektrikal tulad ng electron mobility at bandgap ay lubhang sensitibo sa pagpili ng polytype, na nangangailangan ng mahigpit na kontrol. Sa kasalukuyan, nangingibabaw ang 4H-SiC sa merkado dahil sa napakahusay nitong mga katangiang elektrikal kabilang ang mataas na carrier mobility at breakdown field strength, na ginagawa itong perpekto para sa mga power device.

 

3. Paghahambing ng pagiging kumplikado ng Proseso

 

Gumagamit ang Ceramic-grade SiC ng medyo simpleng mga proseso ng pagmamanupaktura (paghahanda ng pulbos → pagbuo → sintering), katulad ng "paggawa ng ladrilyo." Ang proseso ay kinabibilangan ng:

 

• Hinahalo ang commercial-grade SiC powder (karaniwang micron-sized) na may mga binder
• Bumubuo sa pamamagitan ng pagpindot
• High-temperature sintering (1600-2200°C) para makamit ang densification sa pamamagitan ng particle diffusion
  Karamihan sa mga application ay maaaring masiyahan sa >90% density. Ang buong proseso ay hindi nangangailangan ng tumpak na kontrol sa paglaki ng kristal, sa halip ay tumutuon sa pagbuo at pagkakapare-pareho ng sintering. Kasama sa mga bentahe ang flexibility ng proseso para sa mga kumplikadong hugis, bagama't may medyo mas mababang mga kinakailangan sa kadalisayan.

 

Ang Semiconductor-grade SiC ay nagsasangkot ng mas kumplikadong mga proseso (high-purity powder preparation → single-crystal substrate growth → epitaxial wafer deposition → device fabrication). Kabilang sa mga pangunahing hakbang ang:

 

• Pangunahin ang paghahanda ng substrate sa pamamagitan ng paraan ng physical vapor transport (PVT).
• Sublimation ng SiC powder sa matinding kondisyon (2200-2400°C, mataas na vacuum)
• Tumpak na kontrol ng mga gradient ng temperatura (±1°C) at mga parameter ng presyon
• Ang paglaki ng epitaxial layer sa pamamagitan ng chemical vapor deposition (CVD) upang lumikha ng pantay na makapal, doped na mga layer (karaniwang ilang hanggang sampu-sampung micron)
  Ang buong proseso ay nangangailangan ng napakalinis na kapaligiran (hal., Class 10 cleanroom) upang maiwasan ang kontaminasyon. Kasama sa mga katangian ang matinding katumpakan ng proseso, na nangangailangan ng kontrol sa mga thermal field at mga rate ng daloy ng gas, na may mahigpit na mga kinakailangan para sa parehong kadalisayan ng hilaw na materyal (>99.9999%) at pagiging sopistikado ng kagamitan.

 

4. Mahahalagang Pagkakaiba sa Gastos at Oryentasyon sa Market

 

Mga tampok ng Ceramic-grade SiC:

• Raw material: Commercial-grade powder
• Medyo simpleng mga proseso
• Mababang gastos: Libu-libo hanggang sampu-sampung libong RMB bawat tonelada
• Malawak na aplikasyon: Mga abrasive, refractory, at iba pang industriyang sensitibo sa gastos

 

Mga tampok ng Semiconductor-grade SiC:

• Mahabang ikot ng paglago ng substrate
• Mapanghamong kontrol ng depekto
• Mababang mga rate ng ani
• Mataas na halaga: Libu-libong USD bawat 6-inch na substrate
• Mga nakatutok na merkado: Mga electronic na may mataas na pagganap tulad ng mga power device at mga bahagi ng RF
  Sa mabilis na pag-unlad ng mga bagong sasakyang pang-enerhiya at 5G na komunikasyon, ang pangangailangan sa merkado ay lumalaki nang husto.

 

5. Iba't-ibang Mga Sitwasyon ng Application

 

Ang Ceramic-grade SiC ay nagsisilbing "pang-industriyang workhorse" pangunahin para sa mga structural application. Ang paggamit ng mahusay na mekanikal na mga katangian nito (mataas na tigas, paglaban sa pagsusuot) at mga katangian ng thermal (mataas na temperatura na paglaban, paglaban sa oksihenasyon), ito ay mahusay sa:

 

• Mga abrasive (paggiling ng mga gulong, papel de liha)
• Mga refractory (mataas na temperatura na lining ng tapahan)
• Wear/corrosion-resistant na mga bahagi (pump body, pipe linings)

 

Silicon carbide ceramic na mga bahagi ng istruktura

 

Ang Semiconductor-grade SiC ay gumaganap bilang "electronic elite," gamit ang malawak na bandgap na mga katangian ng semiconductor nito upang ipakita ang mga natatanging bentahe sa mga elektronikong device:

 

• Mga power device: EV inverters, grid converters (pagpapabuti ng power conversion efficiency)
• Mga RF device: 5G base station, radar system (nagpapagana ng mas mataas na operating frequency)
• Optoelectronics: Substrate na materyal para sa mga asul na LED

 

200-millimeter SiC epitaxial wafer

 

Dimensyon	Ceramic-grade SiC	Semiconductor-grade SiC
Istraktura ng Kristal	Polycrystalline, maraming polytypes	Isang kristal, mahigpit na napiling polytypes
Pokus sa Proseso	Densification at kontrol ng hugis	Ang kalidad ng kristal at kontrol sa ari-arian ng kuryente
Priyoridad sa Pagganap	Lakas ng mekanikal, paglaban sa kaagnasan, katatagan ng thermal	Mga katangiang elektrikal (bandgap, breakdown field, atbp.)
Mga Sitwasyon ng Application	Mga bahaging istruktura, mga bahaging lumalaban sa pagsusuot, mga bahaging may mataas na temperatura	Mga high-power na device, high-frequency na device, optoelectronic na device
Mga Driver ng Gastos	Ang kakayahang umangkop sa proseso, gastos ng hilaw na materyales	Ang rate ng paglago ng kristal, katumpakan ng kagamitan, kadalisayan ng hilaw na materyal

 

Sa buod, ang pangunahing pagkakaiba ay nagmumula sa kanilang natatanging functional na layunin: ang ceramic-grade na SiC ay gumagamit ng "form (structure)" habang ang semiconductor-grade na SiC ay gumagamit ng "properties (electrical)." Ang una ay hinahabol ang cost-effective na mekanikal/thermal na pagganap, habang ang huli ay kumakatawan sa tuktok ng teknolohiya sa paghahanda ng materyal bilang mataas na kadalisayan, single-crystal na functional na materyal. Bagama't nagbabahagi ng parehong pinagmulang kemikal, ang ceramic-grade at semiconductor-grade na SiC ay nagpapakita ng malinaw na pagkakaiba sa kadalisayan, istrukturang kristal, at mga proseso ng pagmamanupaktura - ngunit pareho silang gumagawa ng makabuluhang kontribusyon sa produksyong pang-industriya at pag-unlad ng teknolohiya sa kani-kanilang mga domain.