Yarı İletken Endüstrisinde β-Silisyum Karbürün (β-SiC) Uygulamaları
β-SiC, diğer adıyla 3C-SiC, kübik çinko blende kristal yapısına sahiptir ve kararsız bir fazdır. Güç cihazları için ticari olarak baskın olan 4H-SiC’den (α-faz altıgen) farklıdır . Yaklaşık 2,36 eV’lik bir bant aralığına, yüksek elektron hareketliliğine sahiptir, silikon levhalar üzerinde hetero-epitaksiyi destekler ve mükemmel yüksek sıcaklık direnci, plazma aşındırma direnci ve radyasyon toleransı sunar. Büyük ölçekli üretim için belirgin maliyet avantajları sunar, ancak büyük miktarda tek kristalli alt tabakaların seri üretimi zorlu olmaya devam etmektedir. Yarı iletkenlerdeki uygulamaları beş ana kategoriye ayrılır: yarı iletken işlem sarf malzemeleri, epitaksi ve güç cihazları, ambalaj malzemeleri, aşırı ortam elektroniği ve optoelektronik.
1. Yarı İletken Aşındırma/Biriktirme Ekipmanları için Temel Sarf Malzemeleri (Seri Üretim)
- Yüksek saflıkta yoğun CVD-β-SiC (saflık ≥%99,99999) levha odak halkası/kenar halkası . Plazma aşındırma cihazlarının ve CVD odalarının içine, Si/SiC levhaların etrafına monte edilir. Plazma kılıf potansiyelini modüle ederek tüm levha boyunca aşındırma homojenliğini iyileştirir ve kenar kaynaklı hurda oranlarını azaltır. Flor ve klor bazlı plazma aşınmasına karşı dirençlidir, minimum partikül kirliliği oluşturur ve kuvars veya silikon halkalardan daha uzun hizmet ömrü sağlar. 5 nm’ye kadar 8 inç ve 12 inç gelişmiş düğümler için yaygın olarak kullanılır.
- Oda astarları, suseptör kaplamaları, gaz duş başlığı bileşenleri yüksek saflık, plazma korozyon direnci ve yüksek termal iletkenlikten faydalanır. Yonga levhalarına metalik kirlenmeyi azaltmak için aşındırma, PVD ve CVD odaları için yapısal parçalar ve koruyucu kaplamalar olarak kullanılırlar.
2. Epitaksi ve Güç Yarı İletken Cihazları (Ar-Ge ve Küçük Ölçekli Üretim)
- Silikon alt tabakalar üzerinde hetero-epitaksiyel β-SiC ince filmler: β-SiC, büyük çaplı 4H-SiC alt tabakaların yüksek maliyetini ve üretim darboğazlarını aşarak, 8-12 inçlik wafer iş akışlarını mümkün kılan, büyük boyutlu silikon wafer’lar üzerine doğrudan büyütülebilir.
- SBD Schottky diyotlar, MOSFET’ler : Düşük açık durum gerilim düşümü ve hızlı anahtarlama performansı. Orta-düşük gerilim güç dönüştürme, DC-DC güç kaynakları ve motor sürücüleri için hedeflenmiştir. Orta ve düşük gerilim aralıkları için daha uygundur; yüksek gerilim senaryolarında 4H-SiC’ye göre daha düşüktür.
- α-SiC / β-SiC heterojunction cihazları : Yüksek sıcaklık devrelerinde taşıyıcı enjeksiyon verimliliğini artırmak için heterojunction BJT’lerde iki polimorf arasındaki bant aralığı farkından yararlanır.
Not: Büyük tek kristalli β-SiC alt tabakalar ticari olarak seri üretilmemektedir. Çoğu kullanım, epitaksiyel ince filmlere dayanmaktadır .
3. Üst Düzey Yapay Zeka Çip Paketlemesi için TGV Ara Bağlantı Elemanı (Son Teknoloji Ar-Ge)
β-SiC ara katmanları, yüksek performanslı GPU ve HBM paketleme için TGV-cam üzerinden geçiş alt tabakaları olarak işlev görür.
- Isı iletkenliği: 200-300 W/m·K, düşük termal genleşme katsayısı, yüksek mekanik rijitlik ve düşük yüksek frekans kaybı.
- Ultra yüksek güçlü yapay zeka çiplerinde ısı dağıtımında cam ara katmanlardan daha üstün performans gösterir. Yüksek yoğunluklu çip-çip arası bağlantıyı gerçekleştirmek için bakır metalizasyon ve dikey TGV geçiş yollarıyla entegre edilmiştir. Gelecek nesil gelişmiş paketleme için umut vadeden bir aday malzemedir.
4. Yüksek Sıcaklık ve Radyasyona Dayanıklı Elektronik Cihazlar (Havacılık ve Uzay Sanayi, Nükleer Sanayi)
- Yüksek sıcaklık sensörleri ve dedektörleri: Uçak motorlarında ve sondaj çalışmalarında basınç ve sıcaklık algılama için 600 °C’nin üzerinde uzun süreli hizmet sunar.
- Radyasyona dayanıklı entegre devreler: Uydularda ve nükleer sistemlerde kullanılır. Uzay araçları için düşük kaçak akımla nötron ve yüksek enerjili iyon radyasyonuna dayanıklıdır.
- 5G ve radar için MESFET RF mikrodalga cihazları. β-SiC , elverişli yüksek frekans özelliklerine sahip izotropik elektron hareketliliğine sahiptir; şu anda laboratuvar prototipleriyle sınırlıdır ve ticari olarak yarı iletken 4H-SiC alt tabakalarının yerini almamaktadır.
5. Optoelektronik
- UV fotodedektörler : Geniş bant aralığı, görünür ışığa tepki vermeden ultraviyole algılamayı mümkün kılar; alev izleme ve ultraviyole uyarı sistemlerinde kullanılır.
- Kısa dalga boylu UV-LED Ar-Ge çalışmaları: 200-400 nm emisyonu hedefleniyor, henüz büyük ölçekli sanayileşme olmadan laboratuvar aşamasında.
6. Yüksek Saflıkta β-SiC Tozu, Yarı İletken Hammadde Üretiminde Kullanılacak
- CVD-SiC kaplamalar ve CVD odak halkası üretimi için öncü malzeme.
- SiC tek kristal büyümesi ve püskürtme hedefleri için hammadde.
- Isı iletken kompozit ambalaj malzemeleri için, alt tabakanın ısı dağılımını artırmak amacıyla kullanılan dolgu maddesi.
β-SiC ve 4H-SiC (α-SiC) Yarı İletken Karşılaştırma Tablosu
çarşaf
| Öğe | β-SiC (3C-SiC) | 4H-SiC (α-SiC, ana akım güç cihazı sınıfı) |
|---|---|---|
| Kristal yapı | Kübik, metastabil | Altıgen, termodinamik olarak kararlı |
| Bant aralığı | 2,36 eV | 3,26 eV |
| Avantajlar | Silikon bazlı hetero-epitaksi uygulanabilir, büyük boyut kapasitesi, üstün plazma direnci, izotropik hareketlilik. | Yüksek kırılma alan dayanımı, olgun yüksek voltajlı güç cihazları, seri üretilebilir büyük alt tabakalar |
| Başlıca ticari uygulamalar | CVD odak halkaları, oda bileşenleri, SiC-on-Si epitaksi, gelişmiş paketleme ara katmanları | Yeni enerji araçları, fotovoltaik yüksek voltajlı MOSFET’ler ve SBD’ler |
Özet: β-SiC için mevcut en büyük ticari yarı iletken pazarı, odak halkaları/kenar halkaları gibi CVD-SiC proses sarf malzemeleridir. Güç cihazı uygulamaları, silikon tabanlı β-SiC epitaksi Ar-Ge çalışmaları tarafından domine edilmektedir. TGV ara katmanları, gelecek nesil için umut vadeden bir alanı temsil etmektedir. 4H-SiC, yüksek voltajlı güç yarı iletkenleri için ana akım polimorf olmaya devam etmektedir.
