Die erste Generation von Halbleitermaterialien wird durch traditionelles Silizium (Si) und Germanium (Ge) repräsentiert, die die Grundlage für die Herstellung integrierter Schaltkreise bilden. Sie werden häufig in Niederspannungs-, Niederfrequenz- und Niederleistungstransistoren und -detektoren eingesetzt. Mehr als 90 % der Halbleiterprodukte bestehen aus Materialien auf Siliziumbasis;
Zu den Halbleitermaterialien der zweiten Generation zählen Galliumarsenid (GaAs), Indiumphosphid (InP) und Galliumphosphid (GaP). Im Vergleich zu Geräten auf Siliziumbasis verfügen sie über optoelektronische Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitseigenschaften und werden häufig in den Bereichen Optoelektronik und Mikroelektronik eingesetzt. ;
Die dritte Generation von Halbleitermaterialien wird durch neue Materialien wie Siliziumkarbid (SiC), Galliumnitrid (GaN), Zinkoxid (ZnO), Diamant (C) und Aluminiumnitrid (AlN) repräsentiert.
Siliziumkarbidist ein wichtiger Grundstoff für die Entwicklung der Halbleiterindustrie der dritten Generation. Siliziumkarbid-Leistungsbauelemente können mit ihrer hervorragenden Hochspannungsbeständigkeit, hohen Temperaturbeständigkeit, geringen Verluste und anderen Eigenschaften die hohen Effizienz-, Miniaturisierungs- und Leichtbauanforderungen leistungselektronischer Systeme effektiv erfüllen.
Aufgrund seiner überlegenen physikalischen Eigenschaften: hohe Bandlücke (entsprechend einem hohen elektrischen Durchbruchfeld und hoher Leistungsdichte), hohe elektrische Leitfähigkeit und hohe Wärmeleitfähigkeit, wird erwartet, dass es in Zukunft das am häufigsten verwendete Grundmaterial für die Herstellung von Halbleiterchips wird . Insbesondere in den Bereichen neue Energiefahrzeuge, Photovoltaik-Stromerzeugung, Schienenverkehr, intelligente Netze und andere Bereiche bietet es offensichtliche Vorteile.
Der SiC-Produktionsprozess ist in drei Hauptschritte unterteilt: SiC-Einkristallwachstum, Epitaxieschichtwachstum und Geräteherstellung, die den vier Hauptgliedern der Industriekette entsprechen:Substrat, Epitaxie, Geräte und Module.
Die gängige Methode zur Herstellung von Substraten verwendet zunächst die physikalische Dampfsublimationsmethode, um das Pulver in einer Hochtemperatur-Vakuumumgebung zu sublimieren und durch die Steuerung eines Temperaturfelds Siliziumkarbidkristalle auf der Oberfläche des Impfkristalls wachsen zu lassen. Unter Verwendung eines Siliziumkarbid-Wafers als Substrat wird durch chemische Gasphasenabscheidung eine Einkristallschicht auf dem Wafer abgeschieden, um einen epitaktischen Wafer zu bilden. Unter anderem kann das Aufwachsen einer Siliziumkarbid-Epitaxieschicht auf einem leitfähigen Siliziumkarbid-Substrat zu Leistungsgeräten verarbeitet werden, die hauptsächlich in Elektrofahrzeugen, Photovoltaik und anderen Bereichen eingesetzt werden; Aufwachsen einer Galliumnitrid-Epitaxieschicht auf einer halbisolierenden SchichtSiliziumkarbid-Substratkann weiter zu Hochfrequenzgeräten verarbeitet werden, die in der 5G-Kommunikation und anderen Bereichen eingesetzt werden.
Derzeit weisen Siliziumkarbid-Substrate die höchsten technischen Hürden in der Siliziumkarbid-Industriekette auf und Siliziumkarbid-Substrate sind am schwierigsten herzustellen.
Der Produktionsengpass von SiC ist noch nicht vollständig gelöst, die Qualität der Rohmaterialkristallsäulen ist instabil und es besteht ein Ausbeuteproblem, das zu hohen Kosten für SiC-Geräte führt. Es dauert durchschnittlich nur 3 Tage, bis Siliziummaterial zu einem Kristallstab heranwächst, während es für einen Siliziumkarbid-Kristallstab eine Woche dauert. Ein gewöhnlicher Siliziumkristallstab kann 200 cm lang werden, ein Siliziumkarbidkristallstab jedoch nur 2 cm. Darüber hinaus ist SiC selbst ein hartes und sprödes Material, und daraus hergestellte Wafer neigen beim herkömmlichen mechanischen Schneiden von Wafern zum Abplatzen der Kanten, was sich auf die Produktausbeute und -zuverlässigkeit auswirkt. SiC-Substrate unterscheiden sich stark von herkömmlichen Siliziumbarren. Von der Ausrüstung über die Prozesse und die Verarbeitung bis hin zum Schneiden muss alles für den Umgang mit Siliziumkarbid entwickelt werden.
Die Siliziumkarbid-Industriekette ist hauptsächlich in vier Hauptglieder unterteilt: Substrat, Epitaxie, Geräte und Anwendungen. Substratmaterialien sind die Grundlage der Industriekette, epitaktische Materialien sind der Schlüssel zur Geräteherstellung, Geräte sind der Kern der Industriekette und Anwendungen sind die treibende Kraft für die industrielle Entwicklung. Die vorgelagerte Industrie verwendet Rohstoffe zur Herstellung von Substratmaterialien durch physikalische Dampfsublimationsmethoden und andere Methoden und verwendet dann chemische Gasphasenabscheidungsmethoden und andere Methoden, um epitaktische Materialien zu züchten. Die Midstream-Industrie verwendet Upstream-Materialien zur Herstellung von Hochfrequenzgeräten, Stromversorgungsgeräten und anderen Geräten, die letztendlich in der Downstream-5G-Kommunikation verwendet werden. , Elektrofahrzeuge, Schienenverkehr usw. Unter diesen machen Substrat und Epitaxie 60 % der Kosten der Industriekette aus und stellen den Hauptwert der Industriekette dar.
SiC-Substrat: SiC-Kristalle werden üblicherweise nach der Lely-Methode hergestellt. Internationale Mainstream-Produkte werden von 4 Zoll auf 6 Zoll umgestellt, und es wurden 8-Zoll-Produkte mit leitfähigem Substrat entwickelt. Inländische Substrate sind hauptsächlich 4 Zoll groß. Da die bestehenden 6-Zoll-Siliziumwafer-Produktionslinien für die Herstellung von SiC-Geräten aufgerüstet und umgebaut werden können, wird der hohe Marktanteil von 6-Zoll-SiC-Substraten noch lange aufrechterhalten.
Der Siliziumkarbid-Substratprozess ist komplex und schwierig herzustellen. Siliziumkarbidsubstrat ist ein Verbindungshalbleiter-Einkristallmaterial, das aus zwei Elementen besteht: Kohlenstoff und Silizium. Derzeit verwendet die Industrie hauptsächlich hochreines Kohlenstoffpulver und hochreines Siliziumpulver als Rohstoffe zur Synthese von Siliziumkarbidpulver. Unter einem speziellen Temperaturfeld wird die ausgereifte physikalische Dampfübertragungsmethode (PVT-Methode) verwendet, um Siliziumkarbid unterschiedlicher Größe in einem Kristallwachstumsofen zu züchten. Der Kristallbarren wird schließlich verarbeitet, geschnitten, geschliffen, poliert, gereinigt und in mehreren weiteren Prozessen bearbeitet, um ein Siliziumkarbidsubstrat herzustellen.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 22. Mai 2024