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陶瓷碳化硅 vs 半導(dǎo)體碳化硅:同一種材料,兩種截然不同的命運(yùn)

碳化硅(SiC)是一種很神奇的化合物,你能在半導(dǎo)體行業(yè)市場看到它,先進(jìn)陶瓷的產(chǎn)品里也離不開它的身影。這很容易讓普通人混淆兩者為同一性質(zhì)的產(chǎn)品,事實(shí)不是的。碳化硅既可以是堅(jiān)硬耐磨的先進(jìn)陶瓷,也可以是高效節(jié)能的半導(dǎo)體,兩種形態(tài)雖然化學(xué)成分相同,但在工業(yè)領(lǐng)域扮演著兩種完全不同的角色。陶瓷用碳化硅與半導(dǎo)體碳化硅材料在晶體結(jié)構(gòu)、制備工藝、性能特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域上均存在顯著差異:

1 原料純度要求標(biāo)準(zhǔn)不同

陶瓷用碳化硅對粉末純度要求相對較低,通常普通工業(yè)級產(chǎn)品達(dá)到 90% - 98% 即可滿足使用需求,不過高性能結(jié)構(gòu)陶瓷可能要求 98%~99.5%(如反應(yīng)燒結(jié)SiC需控制游離硅含量)。它允許含有少量雜質(zhì),有時(shí)還會(huì)特意添加如氧化鋁(Al?O?)、氧化釔(Y?O?)等作為燒結(jié)助劑,以改善陶瓷的燒結(jié)性能,幫助降低燒結(jié)溫度,提高最終產(chǎn)品的致密度。

半導(dǎo)體用碳化硅對原料純度的要求近乎苛刻,襯底級單晶SiC需 ≥99.9999%(6N),部分高端應(yīng)用要求 7N(99.99999%),外延層雜質(zhì)濃度通常要低于 101? atoms/cm3(尤其避免B、Al、V等深能級雜質(zhì))。原因在于哪怕極是其微量的雜質(zhì),如鐵(Fe)、鋁(Al)、硼(B)等,都會(huì)對其電學(xué)性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響,可能導(dǎo)致載流子散射,降低擊穿場強(qiáng),進(jìn)而影響半導(dǎo)體器件的性能和可靠性,所以必須嚴(yán)格控制雜質(zhì)濃度。

2 晶體結(jié)構(gòu)與質(zhì)量不一

陶瓷用碳化硅多以多晶粉末或燒結(jié)體的形式存在,由大量微小碳化硅晶粒無序排列組成。晶體結(jié)構(gòu)包含多種晶型(如α-SiC、β-SiC),但無需嚴(yán)格控制單一晶型,重點(diǎn)在于整體材料的致密度與均勻性。它的內(nèi)部充滿晶界和微小孔隙,可能還含有燒結(jié)助劑(如氧化鋁、氧化釔)。

半導(dǎo)體用碳化硅則必須是單晶襯底或外延層,晶體結(jié)構(gòu)高度有序且通常要求特定的晶型,需通過高精度晶體生長技術(shù)獲得單一晶型(如4H-SiC、6H-SiC)。電子遷移率、禁帶寬度等電學(xué)性能對晶型極度敏感,需嚴(yán)格篩選晶型以實(shí)現(xiàn)特定功能。目前主流是 4H - SiC,因?yàn)?4H - SiC 具有高載流子遷移率和高擊穿場強(qiáng)等優(yōu)異的電學(xué)性能,非常適合功率器件的應(yīng)用。

3 制備工藝繁簡有別

陶瓷用碳化硅的制備工藝相對簡單(粉體制備→成型→燒結(jié)),類似“燒磚”。首先將工業(yè)級SiC 粉末(通常為微米級粒度)與粘結(jié)劑混合,然后通過壓制成型,最后在高溫(1600 - 2200℃)下進(jìn)行燒結(jié),使顆粒間通過擴(kuò)散作用實(shí)現(xiàn)致密化,多數(shù)情況致密度達(dá)到 90% 以上,就能滿足大多數(shù)應(yīng)用需求。整個(gè)過程無需精確控制晶體生長,更側(cè)重于成型和燒結(jié)過程的穩(wěn)定性和一致性。特點(diǎn)是工藝靈活,可以制備復(fù)雜形狀的應(yīng)用部件,不過對原料的純度要求相對較低。

半導(dǎo)體用碳化硅的制備工藝則復(fù)雜得多(高純粉料制備→單晶襯底生長→外延片沉積→器件制造)。首先要制備單晶襯底,目前主流方法是物理氣相傳輸法(PVT),需要在高溫(2200 - 2400℃)、高真空的嚴(yán)苛條件下,使 SiC 粉末升華后在籽晶上沉積生長,期間要精確控制溫度梯度(±1℃)和壓力等參數(shù),以確保晶體的完整性和高質(zhì)量。之后根據(jù)產(chǎn)品工藝要求,還需要通過化學(xué)氣相沉積(CVD)方法生長外延層,在襯底上形成厚度均勻、摻雜可控的外延層,厚度通常為幾微米至幾十微米。整個(gè)制備過程需要在超高潔凈環(huán)境(如 Class 10 級潔凈室)中進(jìn)行,以避免雜質(zhì)污染,影響材料性能。特點(diǎn)是工藝高度精密,需控制溫場、氣體流速等參數(shù),對原料純度(>99.9999%)與設(shè)備要求嚴(yán)苛。

4 成本差異大、面向市場不同

陶瓷用碳化硅由于原料為工業(yè)級 SiC 粉末,制備工藝相對簡單,所以成本較低,噸價(jià)通常在幾千元到幾萬元之間,市場應(yīng)用廣泛,主要面向磨料磨具、耐火材料等對成本較為敏感的行業(yè)。

半導(dǎo)體用碳化硅由于單晶襯底制備周期長,且缺陷控制難度大,合格率較低,導(dǎo)致成本極高,一片 6 英寸的襯底單價(jià)可達(dá)數(shù)千美元。其市場主要集中在對材料性能要求極高的高端電子領(lǐng)域,如功率半導(dǎo)體器件、射頻器件等行業(yè),隨著新能源汽車、5G 通信等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,市場需求呈現(xiàn)出快速增長的趨勢。

5 應(yīng)用場景各有所長

陶瓷用碳化硅是“工業(yè)硬漢”,主要充當(dāng)結(jié)構(gòu)材料的角色,憑借其出色的力學(xué)性能(高硬度、耐磨性)和熱學(xué)性能(耐高溫、抗氧化),在磨料磨具(砂輪、砂紙)、耐火材料(高溫窯爐內(nèi)襯)、耐磨/耐腐蝕部件(泵體、管道內(nèi)襯)等領(lǐng)域大顯身手。

半導(dǎo)體用碳化硅則是“電子精英”,它基于寬禁帶半導(dǎo)體特性,在電子器件領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢。在功率器件方面,如電動(dòng)汽車的逆變器、電網(wǎng)的變流器等,它能提高器件的功率轉(zhuǎn)換效率,降低能量損耗。在射頻器件領(lǐng)域,像 5G 基站、雷達(dá)等,半導(dǎo)體用碳化硅有助于實(shí)現(xiàn)更高的工作頻率和更強(qiáng)的信號傳輸能力。此外,它還可用于光電子器件,如作為藍(lán)光 LED 的襯底材料,為我們帶來明亮的藍(lán)色光源。


維度

陶瓷用碳化硅

半導(dǎo)體碳化硅

晶體結(jié)構(gòu)

多晶,晶型多樣

單晶,晶型嚴(yán)格篩選

制備重點(diǎn)

致密化與形狀控制

晶體質(zhì)量與電學(xué)性能控制

性能優(yōu)先級

機(jī)械強(qiáng)度、耐腐蝕性、熱穩(wěn)定性

電學(xué)性能(禁帶寬度、擊穿電場等)

應(yīng)用場景

結(jié)構(gòu)件、耐磨件、耐高溫件

高功率器件、高頻器件、光電子器件

成本驅(qū)動(dòng)

工藝靈活性、原料成本

晶體生長速率、設(shè)備精度、原料純度

綜合來講,兩者的核心差異主要來源于 “功能需求” 的本質(zhì)區(qū)別。陶瓷用 SiC 是 “用其形(結(jié)構(gòu))”,半導(dǎo)體用 SiC 是 “用其性(電學(xué))”。前者追求力學(xué)與熱學(xué)性能的性價(jià)比,后者則是高精度、高純度的單晶功能材料,代表了 SiC 材料制備的最高技術(shù)水平。陶瓷用碳化硅與半導(dǎo)體用碳化硅雖然 “同根同源”,但由于應(yīng)用場景的不同,在純度、晶體結(jié)構(gòu)、制備工藝等方面有著明顯的區(qū)別,但不影響各自在自己的領(lǐng)域中發(fā)光發(fā)熱,為我們的工業(yè)生產(chǎn)和科技進(jìn)步貢獻(xiàn)著力量。

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