رقائق من كربيد السيليكون (SiC)أصبحت مادة أساسية في أبحاث الشاشات النصفية الحديثة والتصنيع، لا سيما في الإلكترونيات الكهربائية، والأجهزة عالية التردد، وتطبيقات البيئة القاسية.بالمقارنة مع السيليكون التقليدي، يقدم SiC فجوة نطاق أوسع ، ومجال كهربائي تفكيك أعلى ، وموصلية حرارية متفوقة ، واستقرار كيميائي ممتاز.هذه المزايا الجوهرية تجعل SiC لا غنى عنها في تطبيقات تتراوح من المركبات الكهربائية وأنظمة الطاقة المتجددة إلى الطيران والفضاء والإلكترونيات الصناعية المتقدمة.

ومع ذلك، لا يتم إنشاء جميع رقائق SiC متساوية. في بيئات المختبرات، حيث تختلف أهداف البحث، وعمليات التصنيع، والقيود الميزانية بشكل كبير، تصنيف رقاقة SiC هو قرار حاسم. يمكن أن يؤدي الصنف غير المناسب إلى نتائج تجريبية غير موثوقة أو انخفاض إنتاجية الجهاز أو تكاليف غير ضرورية. تقدم هذه المقالة مقاربة منهجية ،دليل موجه نحو التطبيق لفهم درجات رقائق سيكو والاختيار الصحيح لمختبر أشباه الموصلات الخاص بك.

1فهم أنماط SiC متعددة و أهميتها

الخطوة الأولى في اختيار رقاقة سيك هي فهمالنماذج المتعددة، والتي تصف تسلسلات التراكم المختلفة ل Si ̊C ثنائي الطبقات داخل الشبكة البلورية. في حين أن أكثر من 200 SiC polytypes موجودة ، إلا أن عددًا قليلًا منها هو ذات الصلة بتطبيقات أشباه الموصلات.

1.1 4H-SiC

4H-SiC هو النوع الأكثر استخداما في أبحاث وإنتاج أشباه الموصلات.

• حركة الكترونات العالية

• فجوة نطاق واسعة (~ 3.26 eV)

• تحمل قوي للحقل الكهربائي

هذه الخصائص تجعل 4H-SiC مثاليةMOSFETs الطاقة ، ثنائيات شوتكي ، وأجهزة الجهد العاليمعظم المختبرات الأكاديمية والصناعية تركز على هذا النوع بسبب نظامها الإيكولوجي الناضج.

1.2 6H-SiC

تم استخدام 6H-SiC تاريخياً في الأبحاث المبكرة ولكن تم استبدالها إلى حد كبير بـ 4H-SiC. يحتوي على:

• حركة الإلكترونات المنخفضة

• زيادة التضارب في الخصائص الكهربائية

اليوم، يستخدم 6H-SiC بشكل رئيسيالدراسات القديمة، أبحاث علوم المواد، أو التجارب المقارنة.

1.3 SiC شبه معزول

يتم استخدام رقائق SiC شبه معزولة (غالبا ما تكون مغلفة بالفاناديوم) في المقام الأول فيأجهزة الترددات الراديوية وميكروويف، حيث العزل الكهربائي أمر ضروري. هذه الشرائح شائعة في مختبرات أشباه الموصلات المركبة التي تركز على أداء عالية التردد.

2نوع التوصيل ومستوى الدوبينج

يتم تصنيف رقائق SiC عادة بواسطةنوع التوصيلوتركيز المضادكلاهما يؤثر بشكل مباشر على سلوك الجهاز

2.1 رقائق SiC من النوع N

عادة ما تكون رقائق النوع N مغلفة بالنيتروجين وهي الخيار الأكثر شيوعًا:

• أبحاث إلكترونيات الطاقة

• الهياكل العمودية للأجهزة

• دراسات نمو القصبة

بالنسبة للمختبرات العاملة في تصنيع الأجهزة، غالبًا ما يتم تفضيل الرواسب من النوع n المزودة بسهولة لأنها تدعم نمو طبقة البصرية المتحكم فيها.

2.2 رقائق SiC من النوع P

رقائق النوع P ، عادة ما تكون مغلفة بالألومنيوم أو البورون ، أقل شيوعًا وأكثر تكلفة. يتم استخدامها أساسًا في:

• دراسات تشكيل التقاطعات

• أبحاث الأجهزة المتخصصة

لأن الدوبينج من النوع p في SiC أكثر تحديًا ، عادة ما يتم الاحتفاظ بهذه الوافيرات للتجارب المستهدفة بدلاً من الاستخدام المعتاد في المختبر.

2.3 اعتبارات المقاومة

يمكن أن تتراوح نطاقات المقاومة من< 0.02 Ω·cm إلى > 105 Ω·cmبالنسبة لمعظم مختبرات أشباه الموصلات

• رقائق المقاومة منخفضة إلى متوسطة مناسبة لتطوير أجهزة الطاقة

• المقاومة العالية أو رقائق شبه معزولة هي حاسمة لRF وتجارب حساسة العزلة

إن اختيار المقاومة الخاطئة قد يعرقل دقة القياس أو عزل الجهاز.

3تصنيف درجة الوافر: البحث مقابل درجة الجهاز

وغالبا ما يتم تصنيف رقائق SiCالدرجة، الذي يعكس نوعية الكريستال، وكثافة العيب، وحالة السطح.

3.1 درجة البحث

عادة ما تتميز رقائق درجة البحث:

• الكثافة العالية للميكروبايب والانحرافات

• مواصفات أكثر فضفاضة على خشونة السطح والقوس

فهي مناسبة جداً ل:

• تطوير العمليات

• تصنيف المواد

• دراسات الجدوى في المرحلة الأولى

بالنسبة لمختبرات الجامعات أو البحوث الاستكشافية، توفر رقائق درجة البحوث حلًا فعالًا من حيث التكلفة دون المساس بالرؤى الأساسية.

3.2 درجة الجهاز

يتم تصنيع رقائق الجهاز تحت ضوابط أكثر صرامة ، وتقدم:

• كثافة العيوب المنخفضة

• معايير تحمل ضيقة للسمك والسطح

• جودة عالية من البولش السطحي

هذه الوافيرات ضرورية لـ:

• إنتاج نماذج أولية للأجهزة

• التجارب الحساسة للثروة

• اختبار الموثوقية والحياة

تتطلب المختبرات التي تهدف إلى نشر بيانات أداء مستوى الجهاز أو نقل التكنولوجيا إلى شركاء الصناعة عادةً مواد رصيدة من نوع الجهاز.

4العيوب والجودة البلورية: ما يهم حقا في المختبر

على عكس السيليكون، نمو SiC معقد بطبيعته، مما يؤدي إلى عيبات بلورية مختلفة يمكن أن تؤثر على أداء الجهاز.

4.1 الأنابيب الصغيرة

الأنبوبات الدقيقة هي عيوب في النواة المجوفة التي يمكن أن تسبب فشلًا كارثيًا في الأجهزة ، خاصة في تطبيقات الجهد العالي. في حين أن الألواح الحديثة تقللت بشكل كبير من كثافة الأنبوبات الدقيقة ،المختبرات التي تطور أجهزة الطاقة يجب أن تحدد دائمارقائق ميكروبايب ذات الصفر أو القريب من الصفر.

4.2 الانحرافات (TSD، BPD)

يمكن أن يؤدي خلع المسامير (TSDs) وتخلع الطائرة القاعدية (BPDs) إلى تدهور:

• عمر الناقل

• فولتاج الانقطاع

• الموثوقية على المدى الطويل

في أبحاث المواد ، قد تكون كثافة الانحراف العالية مقبولة. في تصنيع الأجهزة ، يوصى بشدة بعدد أقل من الكثافة.

5قطر وسمك الوافر: قدرات المعدات المتطابقة

لوحات سي سي متوفرة في قطرات متعددة، عادة100 ملم، 150 ملم، و 200 ملم (8 بوصة)، مع 300 ملم لا تزال تجربية إلى حد كبير.

• قطرات أصغرمناسبة لمختبرات ذات معدات قديمة أو ميزانيات محدودة.

• قطرات أكبرتعكس بشكل أفضل الظروف الصناعية ولكنها تتطلب أدوات معالجة متقدمة والحجرية والقياس.

اختيار السماكة مهم أيضاً:

• الوجبات السميكة تحسن الاستقرار الميكانيكي

• يقلل الرقائق الرقيقة من المقاومة الحرارية لكنها تزيد من خطر الكسر

يجب على المختبرات أن تتماشى دائمًا مع مواصفات الوافر مع أدوات العملية الحالية وخبرة التعامل.

6. نهاية السطح والتوجه

6.1 البولندي السطحي

وتشمل الخيارات عادة:

• ملمع من جانب واحد (SSP)

• ملمع من جانبين (DSP)

يتم تفضيل رقائق DSP ل:

• الفحص البصري

• التصوير الحجري بدقة عالية

• أبحاث التوصيل أو التغليف المتقدم

6.2 التوجه خارج المحور

معظم عمليات النمو البطحية تتطلبرقائق خارج المحوريجب أن تحدد المختبرات التي تركز على البيتاكسي التوجه بعناية لضمان قابلية التكرار.

7التكلفة مقابل أهداف البحث: إطار عملي

اختيار الدرجة المناسبة من رقائق السيكو هو في نهاية المطاف توازن بينالأهداف العلمية والقيود الميزانية:

• البحوث الأساسية→ درجة البحث، قطر أصغر، كثافة عيب معتدلة

• تطوير العمليات→ رقائق متوسطة الجودة مع توجيه ومقاومة خاضعة للسيطرة

• دراسات أداء الجهاز→ درجة الجهاز، وكثافة العيوب منخفضة، والقطرات القياسية في الصناعة

تعريف واضح لأهداف التجربة قبل المشتريات يمكن أن يقلل بشكل كبير من مصادر الهدر.

الاستنتاج

اختيار الصف المناسب من رقائق سي سي لمختبر أشباه الموصلات ليس قرارًا واحدًا يناسب الجميع، إنه يتطلب فهمًا واضحًا لخصائص المواد،وأهداف البحثمن خلال تقييم النمط المتعدد، الدوبينغ، الدرجة، كثافة العيوب، والهندسة الوافر، يمكن للمختبرات تحسين كل من النتائج التجريبية وكفاءة التكلفة.

مع استمرار نضوج تكنولوجيا SiC وتوسيعها إلى تنسيقات رقائق أكبر وتطبيقات جديدة ، سيظل اختيار المواد المستنيرة مهارة أساسية للباحثين والمهندسين على حد سواء.