کاربردهای کاربید سیلیسیم بتا (β-SiC) در صنعت نیمه‌هادی

β‑SiC که با نام 3C‑SiC نیز شناخته می‌شود، دارای ساختار کریستالی مکعبی مخلوط روی و یک فاز شبه‌پایدار است. این فاز با فاز غالب تجاری 4H‑SiC (شش‌ضلعی فاز α) برای دستگاه‌های قدرت متفاوت است. این فاز دارای شکاف باندی تقریباً 2.36 eV، تحرک الکترونی بالا، پشتیبانی از اپیتکسی ناهمگن روی ویفرهای سیلیکونی و مقاومت عالی در برابر دمای بالا، مقاومت در برابر حکاکی پلاسما و تحمل تابش است. این فاز مزایای هزینه‌ای آشکاری را برای تولید در اندازه بزرگ ارائه می‌دهد، اگرچه تولید انبوه زیرلایه‌های تک‌بلوری حجیم همچنان چالش‌برانگیز است. کاربردهای آن در نیمه‌رساناها به پنج دسته اصلی تقسیم می‌شود: مواد مصرفی فرآیند نیمه‌رسانا، اپیتکسی و دستگاه‌های قدرت، مواد بسته‌بندی، الکترونیک محیط‌های سخت و الکترونیک نوری.

۱. مواد مصرفی کلیدی برای تجهیزات حکاکی/رسوب‌گذاری نیمه‌رسانا (تولید انبوه)

1. حلقه تمرکز ویفر / حلقه لبه (CVD-β-SiC) CVD-β-SiC متراکم با خلوص بالا (خلوص ≥99.99999%). در داخل دستگاه‌های حکاکی پلاسما و محفظه‌های CVD، اطراف ویفرهای Si/SiC نصب می‌شود. این حلقه پتانسیل غلاف پلاسما را تعدیل می‌کند تا یکنواختی حکاکی در کل ویفر بهبود یابد و میزان ضایعات مربوط به لبه کاهش یابد. در برابر فرسایش پلاسما مبتنی بر فلوئور و کلر مقاوم است، حداقل آلودگی ذرات را ایجاد می‌کند و عمر مفید بیشتری نسبت به حلقه‌های کوارتز یا سیلیکون ارائه می‌دهد. به طور گسترده برای گره‌های پیشرفته 8 اینچی و 12 اینچی تا 5 نانومتر استفاده می‌شود.
2. آسترهای محفظه، پوشش‌های جاذب، اجزای سردوش‌های گازی. از خلوص بالا، مقاومت در برابر خوردگی پلاسما و رسانایی حرارتی بالا بهره می‌برند. به عنوان قطعات ساختاری و پوشش‌های محافظ برای محفظه‌های اچ، PVD و CVD برای کاهش آلودگی فلزی روی ویفرها استفاده می‌شوند.

۲. اپیتاکسی و دستگاه‌های نیمه‌هادی قدرت (تحقیق و توسعه و تولید در مقیاس کوچک)

1. لایه‌های نازک β-SiC هترواپیتاکسیال روی زیرلایه‌های سیلیکونی β-SiC را می‌توان مستقیماً روی ویفرهای سیلیکونی بزرگ رشد داد و از هزینه‌های بالای تولید و مشکلات زیرلایه‌های 4H-SiC با قطر بزرگ جلوگیری کرد و امکان تولید ویفرهایی با قطر 8 تا 12 اینچ را فراهم نمود.

• دیودهای شاتکی SBD، ماسفت‌ها : افت ولتاژ کم در حالت روشن و عملکرد سوئیچینگ سریع. هدف تبدیل توان ولتاژ متوسط ​​تا پایین، منابع تغذیه DC-DC و درایوهای موتور. مناسب‌تر برای محدوده ولتاژ متوسط ​​و پایین؛ برای سناریوهای ولتاژ بالا، عملکرد ضعیف‌تری نسبت به 4H-SiC دارند.
• قطعات پیوند ناهمگون α‑SiC / β‑SiC : از آفست شکاف نواری بین دو نوع چندگانه برای BJT های پیوند ناهمگون استفاده کنید تا راندمان تزریق حامل را برای مدارهای با دمای بالا افزایش دهید.

توجه: زیرلایه‌های β-SiC تک‌بلوری حجیم به صورت تجاری و انبوه تولید نمی‌شوند. بیشترین کاربرد آنها به لایه‌های نازک اپیتاکسیال متکی است .

۳. TGV Interposer برای بسته‌بندی تراشه‌های هوش مصنوعی پیشرفته (تحقیق و توسعه پیشرفته)

واسطه‌های β-SiC به عنوان زیرلایه‌های TGV-through-glass-via برای بسته‌بندی GPU و HBM با کارایی بالا عمل می‌کنند.

• رسانایی حرارتی: ۲۰۰ تا ۳۰۰ وات بر متر مکعب در کلوین، ضریب انبساط حرارتی پایین، سختی مکانیکی بالا و تلفات فرکانس بالای کم.
• در اتلاف گرما برای تراشه‌های هوش مصنوعی فوق پرقدرت، از رابط‌های شیشه‌ای بهتر عمل می‌کند. با فلزکاری مس و مسیرهای TGV عمودی ادغام شده تا اتصال تراشه به تراشه با چگالی بالا را محقق کند. یک ماده کاندید امیدوارکننده برای بسته‌بندی پیشرفته نسل بعدی.

۴. دستگاه‌های الکترونیکی مقاوم در برابر حرارت بالا و تابش (صنایع هوافضا، هسته‌ای)

1. حسگرها و آشکارسازهای دمای بالا: خدمات طولانی مدت در دمای بالاتر از ۶۰۰ درجه سانتیگراد برای سنجش فشار و دما در موتورهای هواپیما و اکتشافات درون چاهی.
2. مدارهای مجتمع مقاوم در برابر تابش: در ماهواره‌ها و سیستم‌های مرتبط با انرژی هسته‌ای کاربرد دارند. تابش نوترون و یون‌های پرانرژی را با جریان نشتی کم برای لوازم الکترونیکی فضایی تحمل می‌کنند.
3. دستگاه‌های مایکروویو RF MESFET برای 5G و رادار. β-SiC دارای تحرک الکترونی ایزوتروپیک با خواص فرکانس بالای مطلوب است؛ در حال حاضر محدود به نمونه‌های اولیه آزمایشگاهی است و به صورت تجاری جایگزین زیرلایه‌های نیمه عایق 4H-SiC نمی‌شود.

۵. الکترونیک نوری

1. آشکارسازهای نوری فرابنفش : شکاف باند وسیع، تشخیص فرابنفش را بدون پاسخ به نور مرئی امکان‌پذیر می‌کند و برای سیستم‌های نظارت بر شعله و هشدار فرابنفش استفاده می‌شود.
2. تحقیق و توسعه در زمینه UV-LED با طول موج کوتاه: هدف قرار دادن انتشار ۲۰۰ تا ۴۰۰ نانومتر، هنوز در مرحله آزمایشگاهی و بدون صنعتی‌سازی در مقیاس بزرگ.

۶. پودر β‑SiC با خلوص بالا برای مواد اولیه نیمه‌هادی‌های بالادستی

1. ماده اولیه برای پوشش‌های CVD-SiC و تولید حلقه فوکوس CVD.
2. خوراک برای رشد تک بلور SiC و اهداف کندوپاش.
3. پرکننده برای مواد بسته‌بندی کامپوزیت رسانای حرارتی به منظور افزایش اتلاف حرارت زیرلایه.

جدول مقایسه نیمه‌هادی‌های β‑SiC در مقابل 4H‑SiC (α‑SiC)

ورق

خلاصه: بزرگترین بازار تجاری نیمه‌هادی موجود برای β‑SiC، مواد مصرفی فرآیند CVD‑SiC مانند حلقه‌های فوکوس/حلقه‌های لبه است. کاربردهای دستگاه‌های قدرت تحت سلطه تحقیق و توسعه اپیتاکسی β‑SiC مبتنی بر سیلیکون هستند. اینترپوزرهای TGV نشان‌دهنده یک مسیر نسل بعدی امیدوارکننده هستند. 4H‑SiC همچنان پلی‌تایپ اصلی برای نیمه‌هادی‌های قدرت ولتاژ بالا است.