زیرلایه‌های کاربید سیلیکون (SiC) نیمه‌عایق با خلوص بالا، مواد تخصصی ساخته شده از کاربید سیلیکون هستند که به طور گسترده در تولید الکترونیک قدرت، دستگاه‌های فرکانس رادیویی (RF) و قطعات نیمه‌هادی با فرکانس بالا و دمای بالا استفاده می‌شوند. کاربید سیلیکون، به عنوان یک ماده نیمه‌هادی با شکاف انرژی وسیع، خواص الکتریکی، حرارتی و مکانیکی عالی را ارائه می‌دهد و آن را برای کاربردها در محیط‌های ولتاژ بالا، فرکانس بالا و دمای بالا بسیار مناسب می‌سازد.

در اینجا یک معرفی دقیق از زیرلایه‌های SiC نیمه‌عایق با خلوص بالاارائه شده است:

ویژگی‌های مواد  کاربید سیلیکون نیمه‌عایق (SiC)

• ویژگی‌های نیمه‌عایق: زیرلایه‌های SiC نیمه‌عایق با خلوص بالا از طریق تکنیک‌های دقیق دوپینگ ساخته می‌شوند که منجر به هدایت الکتریکی بسیار کم می‌شود و مقاومت بالایی را در دمای اتاق به آنها می‌دهد. این ویژگی نیمه‌عایق به آنها اجازه می‌دهد تا مناطق مختلف را در کاربردهای الکترونیکی به طور موثر ایزوله کنند، تداخل الکتریکی را به حداقل برسانند و آنها را برای دستگاه‌های با توان بالا، فرکانس بالا و ولتاژ بالا ایده‌آل می‌سازد.

• رسانایی حرارتی بالا: کاربید سیلیکون دارای رسانایی حرارتی تقریباً 4.9 W/cm·K است که بسیار بالاتر از سیلیکون است و امکان اتلاف حرارت بهتر را فراهم می‌کند. این امر برای دستگاه‌های قدرت که در چگالی‌های توان بالا کار می‌کنند، بسیار مهم است و خطر خرابی دستگاه به دلیل گرم شدن بیش از حد را کاهش می‌دهد.

• شکاف انرژی وسیع: SiC دارای شکاف انرژی وسیع 3.26 eV است، در مقایسه با 1.1 eV سیلیکون، که آن را قادر می‌سازد ولتاژها و جریان‌های بالاتری را تحمل کند و قادر به کار در فرکانس‌ها و توان‌های بالا باشد. این امر دستگاه‌های SiC را قادر می‌سازد تا در محیط‌هایی که معمولاً باعث خرابی دستگاه‌های مبتنی بر سیلیکون می‌شوند، کار کنند.

• پایداری شیمیایی: SiC پایداری شیمیایی عالی را نشان می‌دهد و در برابر محیط‌های با دمای بالا، رطوبت بالا و اسید-باز مقاوم است و در نتیجه طول عمر قطعات را در شرایط سخت افزایش می‌دهد.

• مقاومت مکانیکی بالا: SiC به دلیل سختی و مقاومت مکانیکی بالا شناخته شده است و در برابر آسیب فیزیکی مقاوم است. این ویژگی آن را برای کاربردهای با توان بالا مناسب می‌سازد، جایی که استحکام مکانیکی بسیار مهم است.

حوزه‌های کاربرد اصلی

• الکترونیک قدرت: به دلیل قابلیت‌های عالی در دمای بالا و ولتاژ بالا، زیرلایه‌های SiC نیمه‌عایق با خلوص بالا به طور گسترده در دستگاه‌های نیمه‌هادی قدرت مانند MOSFETها (ترانزیستورهای اثر میدان نیمه‌هادی اکسید فلز)، IGBTها (ترانزیستورهای دوقطبی با گیت عایق‌شده)، SBDها (دیودهای سد شاتکی)، و غیره استفاده می‌شوند. این دستگاه‌ها معمولاً در سیستم‌های تبدیل توان، وسایل نقلیه الکتریکی، اینورترها، سیستم‌های انرژی خورشیدی و موارد دیگر یافت می‌شوند.

​

• دستگاه‌های فرکانس رادیویی (RF): زیرلایه‌های SiC برای کاربردهای با فرکانس بالا و توان بالا مانند تقویت‌کننده‌های RF، سیستم‌های راداری و تجهیزات ارتباطی ایده‌آل هستند و قابلیت‌های پردازش سیگنال و پایداری قوی را ارائه می‌دهند.

​

• کاربردهای با دمای بالا و فشار بالا: استحکام SiC به آن اجازه می‌دهد تا در محیط‌های شدید، از جمله هوافضا، خودرو و کاربردهای نظامی، که دماهای بالا، فشارهای بالا و توان‌های بالا رایج هستند، عملکرد خوبی داشته باشد.

​

• دستگاه‌های اپتوالکترونیک: زیرلایه‌های SiC به دلیل پاسخ قوی به نور ماوراء بنفش در آشکارسازهای نور ماوراء بنفش، لیزرها و سایر دستگاه‌های اپتوالکترونیک استفاده می‌شوند و آنها را برای نظارت بر محیط زیست، کاربردهای نظامی و پزشکی مناسب می‌سازد.

​

• وسایل نقلیه الکتریکی (EVs) و وسایل نقلیه انرژی نو: با ادامه رشد وسایل نقلیه الکتریکی، زیرلایه‌های SiC نیمه‌عایق با خلوص بالا نقش فزاینده‌ای در سیستم‌های مدیریت باتری، سیستم‌های تبدیل توان و سایر کاربردهای با توان بالا در صنعت خودرو ایفا می‌کنند.

مزایا

• راندمان بالا و تلفات کم: زیرلایه‌های SiC نیمه‌عایق با خلوص بالا تلفات هدایت کم و قابلیت‌های جریان بالا را ارائه می‌دهند، راندمان دستگاه‌های قدرت را بهبود می‌بخشند و اتلاف انرژی را کاهش می‌دهند و آنها را برای کاربردهای با توان بالا ایده‌آل می‌سازند.

• محدوده دمای عملیاتی وسیع: دستگاه‌های SiC می‌توانند در محیط‌های با دمای بالاتر در مقایسه با دستگاه‌های سیلیکونی کار کنند، که برای حفظ عملکرد پایدار در شرایط عملیاتی سخت بسیار مهم است.

• دوام و قابلیت اطمینان: زیرلایه‌های SiC در برابر دماهای بالا، خوردگی و سایش بسیار مقاوم هستند و به پایداری و قابلیت اطمینان طولانی‌مدت دستگاه‌هایی که از آنها استفاده می‌کنند، کمک می‌کنند. این امر آنها را به ویژه در کاربردهای حیاتی که خرابی در آنها امکان‌پذیر نیست، ارزشمند می‌کند.

فرآیند تولید

• رشد کریستال: زیرلایه‌های SiC نیمه‌عایق با خلوص بالا با استفاده از روش‌هایی مانند رسوب بخار شیمیایی (CVD) یا انتقال بخار فیزیکی (PVT) رشد می‌کنند و کریستال‌های با کیفیت بالا با حداقل نقص را تضمین می‌کنند تا الزامات سختگیرانه دستگاه‌های نیمه‌هادی قدرت را برآورده کنند.

• کنترل دوپینگ: تکنیک‌های دوپینگ (به عنوان مثال، دوپینگ آلومینیوم یا نیتروژن) با دقت کنترل می‌شوند تا ویژگی‌های نیمه‌عایق مورد نظر به دست آید، با تنظیمات دقیق مقاومت و خواص الکتریکی. این فرآیند به فناوری پیشرفته و کنترل فرآیند دقیق نیاز دارد تا عملکرد بهینه زیرلایه را تضمین کند.

• تصفیه سطح: پس از رشد، زیرلایه‌های SiC تحت پولیش و تمیز کردن سطح دقیق قرار می‌گیرند تا نقص‌ها از بین بروند و چگالی بار سطحی کاهش یابد و عملکرد و قابلیت اطمینان دستگاه نهایی افزایش یابد.

چشم‌انداز بازار

تقاضا برای زیرلایه‌های SiC نیمه‌عایق با خلوص بالا به دلیل پذیرش فزاینده وسایل نقلیه الکتریکی، شبکه‌های هوشمند، انرژی تجدیدپذیر (مانند انرژی خورشیدی و بادی) و الکترونیک قدرت با راندمان بالا، به طور پیوسته در حال افزایش است. با ادامه بهبود تکنیک‌های تولید زیرلایه SiC و افزایش تقاضا برای دستگاه‌های کم‌مصرف، انتظار می‌رود بازار زیرلایه SiC به طور قابل توجهی گسترش یابد. در آینده، زیرلایه‌های SiC در الکترونیک قدرت و فناوری‌های مرتبط اهمیت بیشتری خواهند یافت.

چالش‌ها و توسعه آینده

• کنترل هزینه: هزینه تولید زیرلایه‌های SiC نسبتاً بالا باقی می‌ماند، به ویژه برای زیرلایه‌های با قطر بزرگ. بهینه‌سازی مداوم فرآیندهای تولید برای کاهش هزینه‌ها و افزایش دسترسی به دستگاه‌های مبتنی بر SiC ضروری خواهد بود.

• مقیاس‌پذیری: در حالی که زیرلایه‌های SiC در حال حاضر در بسیاری از کاربردها استفاده می‌شوند، مقیاس‌بندی تولید برای پاسخگویی به تقاضای جهانی، به ویژه برای زیرلایه‌های بزرگتر، همچنان یک چالش است. پیشرفت‌های مستمر در تکنیک‌های رشد زیرلایه و روش‌های تولید برای رسیدگی به این موضوع حیاتی خواهد بود.

• پیشرفت‌های تکنولوژیکی: با بالغ شدن فناوری‌های SiC، پیشرفت‌هایی در کیفیت زیرلایه، نرخ بازده و عملکرد دستگاه حاصل خواهد شد. تحولات جدید استفاده از زیرلایه‌های SiC را به صنایع و کاربردهای اضافی گسترش می‌دهد و باعث افزایش بیشتر پذیرش آنها در بازار می‌شود.