تطبيقات كربيد السيليكون بيتا (β-SiC) في صناعة أشباه الموصلات

يتميز كربيد السيليكون بيتا (β-SiC)، المعروف أيضًا باسم 3C-SiC، ببنية بلورية مكعبة من نوع الزنك بلند، وهو طور شبه مستقر. ويختلف عن كربيد السيليكون 4H (4H-SiC) السائد تجاريًا (طور ألفا سداسي) المستخدم في أجهزة الطاقة. يتميز β-SiC بفجوة طاقة تبلغ حوالي 2.36 إلكترون فولت، وحركية إلكترونية عالية، ويدعم النمو المتغاير على رقائق السيليكون، كما يتميز بمقاومة ممتازة لدرجات الحرارة العالية، ومقاومة للتآكل بالبلازما، وتحمل عالٍ للإشعاع. يوفر β-SiC مزايا واضحة من حيث التكلفة للتصنيع على نطاق واسع، على الرغم من أن الإنتاج الضخم للركائز أحادية البلورة لا يزال يمثل تحديًا. تندرج تطبيقاته في أشباه الموصلات ضمن خمس فئات رئيسية: مواد استهلاكية لعمليات تصنيع أشباه الموصلات، والنمو المتغاير وأجهزة الطاقة، ومواد التغليف، والإلكترونيات في البيئات القاسية، والإلكترونيات الضوئية.

1. المواد الاستهلاكية الرئيسية لمعدات حفر/ترسيب أشباه الموصلات (المنتجة بكميات كبيرة)

1. حلقة تركيز الرقاقة / حلقة الحافة (CVD-β-SiC): مصنوعة من كربيد السيليكون بيتا (CVD-β-SiC) عالي النقاء والكثافة (نقاء ≥ 99.99999%). تُركّب داخل أجهزة حفر البلازما وغرف الترسيب الكيميائي للبخار (CVD)، حول رقائق السيليكون/كربيد السيليكون. تعمل على تعديل جهد غلاف البلازما لتحسين تجانس الحفر على كامل الرقاقة وتقليل معدلات الهدر المتعلقة بالحواف. تقاوم التآكل الناتج عن البلازما القائمة على الفلور والكلور، وتُنتج الحد الأدنى من تلوث الجسيمات، وتوفر عمرًا أطول من حلقات الكوارتز أو السيليكون. تُستخدم على نطاق واسع في العُقد المتقدمة بقياس 8 بوصات و12 بوصة وصولًا إلى 5 نانومتر.
2. تتميز بطانات الحجرات، وطلاءات المستقبلات، ومكونات رؤوس رش الغاز بنقائها العالي، ومقاومتها للتآكل البلازمي، وموصلية حرارية عالية. تُستخدم هذه المواد كأجزاء هيكلية وطلاءات واقية لحجرات الحفر، والترسيب الفيزيائي للبخار، والترسيب الكيميائي للبخار، للحد من التلوث المعدني على الرقائق.

2. أجهزة أشباه الموصلات ذات الطبقة الرقيقة وأجهزة الطاقة (البحث والتطوير والإنتاج بكميات صغيرة)

1. يمكن تنمية أغشية β-SiC الرقيقة غير المتجانسة على ركائز السيليكون مباشرة على رقائق السيليكون كبيرة الحجم، مما يتجاوز التكلفة العالية واختناقات التصنيع لركائز 4H-SiC ذات القطر الكبير، مما يتيح سير عمل رقائق السيليكون من 8 إلى 12 بوصة.

• ثنائيات شوتكي (SBD) وموسفتات : انخفاض جهد التشغيل وأداء تبديل سريع. تستهدف تطبيقات تحويل الطاقة ذات الجهد المتوسط ​​والمنخفض، ومصادر الطاقة DC-DC، ومحركات الأقراص. أكثر ملاءمة لنطاقات الجهد المتوسط ​​والمنخفض؛ أقل كفاءة من 4H-SiC في تطبيقات الجهد العالي.
• أجهزة الوصلات غير المتجانسة α-SiC / β-SiC : الاستفادة من إزاحة فجوة النطاق بين نوعين من متعددات الأقطاب لترانزستورات ثنائية القطبية غير المتجانسة لتعزيز كفاءة حقن الناقلات للدوائر ذات درجة الحرارة العالية.

ملاحظة: لا يتم إنتاج ركائز β-SiC أحادية البلورة بكميات تجارية كبيرة. ويعتمد استخدامها في الغالب على الأغشية الرقيقة المترسبة بالطبقة الرقيقة .

3. موصل TGV لتغليف رقائق الذكاء الاصطناعي المتطورة (أبحاث وتطوير متطورة)

تُستخدم الوصلات البينية β-SiC كركائز TGV-through-glass-via لتغليف وحدات معالجة الرسومات عالية الأداء و HBM.

• الموصلية الحرارية: 200-300 واط/م·ك، معامل تمدد حراري منخفض، صلابة ميكانيكية عالية وفقدان منخفض للترددات العالية.
• يتفوق على الرقائق الزجاجية في تبديد الحرارة لرقائق الذكاء الاصطناعي فائقة الطاقة. مُدمج مع طبقة معدنية نحاسية وفتحات TGV عمودية لتحقيق توصيل عالي الكثافة بين الرقائق. مادة واعدة لجيل جديد من مواد التغليف المتقدمة.

4. الأجهزة الإلكترونية المقاومة لدرجات الحرارة العالية والإشعاع (صناعة الطيران والفضاء، الصناعة النووية)

1. أجهزة الاستشعار والكشف ذات درجات الحرارة العالية: خدمة طويلة الأمد فوق 600 درجة مئوية لاستشعار الضغط ودرجة الحرارة في محركات الطائرات واستكشاف الآبار.
2. الدوائر المتكاملة المقاومة للإشعاع: تُستخدم في الأقمار الصناعية والأنظمة المتعلقة بالطاقة النووية. تتحمل الإشعاع النيوتروني وإشعاع الأيونات عالية الطاقة مع تيار تسرب منخفض للإلكترونيات المحمولة في الفضاء.
3. أجهزة MESFET للترددات الراديوية والميكروويف لشبكات الجيل الخامس والرادار. يتميز β-SiC بحركية إلكترونية متساوية الخواص مع خصائص ترددات عالية مواتية؛ يقتصر استخدامه حاليًا على النماذج الأولية المختبرية ولا يحل محل ركائز 4H-SiC شبه العازلة تجاريًا.

5. الإلكترونيات الضوئية

1. أجهزة الكشف الضوئي للأشعة فوق البنفسجية : تتيح فجوة النطاق الواسعة الكشف عن الأشعة فوق البنفسجية دون استجابة للضوء المرئي، وتستخدم لمراقبة اللهب وأنظمة الإنذار بالأشعة فوق البنفسجية.
2. البحث والتطوير في مجال مصابيح LED فوق البنفسجية ذات الطول الموجي القصير: استهداف انبعاث 200-400 نانومتر، لا يزال في المرحلة المختبرية دون تصنيع على نطاق واسع.

6. مسحوق β-SiC عالي النقاء كمواد خام لأشباه الموصلات

1. مادة أولية لطلاءات كربيد السيليكون بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) وتصنيع حلقات التركيز بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD).
2. المواد الأولية لنمو بلورات السيليكون كاربيد الأحادية وأهداف الترسيب بالرش.
3. مادة مالئة لمواد التغليف المركبة الموصلة للحرارة لتعزيز تبديد الحرارة في الركيزة.

جدول مقارنة أشباه الموصلات β-SiC مقابل 4H-SiC (α-SiC)

ملزمة

ملخص: يُعد سوق مواد معالجة كربيد السيليكون المُصنّع بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD-SiC)، مثل حلقات التركيز/حلقات الحواف، أكبر سوق تجاري حالي لأشباه الموصلات من نوع β-SiC. وتسيطر أبحاث وتطوير الترسيب الطبقي لـ β-SiC القائم على السيليكون على تطبيقات أجهزة الطاقة. وتمثل الوصلات البينية TGV مسارًا واعدًا للجيل القادم. ولا يزال 4H-SiC هو النمط البلوري السائد لأشباه موصلات الطاقة عالية الجهد.