چرا زیرلایه سیلیکون کاربید از سیلیکون کاربید به عنوان ماده اولیه استفاده می‌کند؟

۱. پایداری فیزیکی و شیمیایی برتر

• رسانایی حرارتی بالا : SiC رسانایی حرارتی تا حدود ۴۹۰ وات بر متر مکعب در کلوین (بسیار بالاتر از حدود ۱۵۰ وات بر متر مکعب در کلوین سیلیکون) دارد که امکان اتلاف حرارت کارآمد را فراهم می‌کند. این امر برای دستگاه‌های پرمصرف (مانند ماژول‌های برق، الکترونیک خودرو) برای جلوگیری از گرمای بیش از حد و حفظ قابلیت اطمینان بسیار مهم است.
• نقطه ذوب بالا : با نقطه ذوب حدود ۲۷۰۰ درجه سانتیگراد، SiC می‌تواند دماهای بالا را بدون تخریب تحمل کند و امکان استفاده در محیط‌های سخت (مانند هوافضا، موتورهای صنعتی) را فراهم کند.
• بی‌اثری شیمیایی : زیرلایه‌های SiC که در برابر خوردگی، اکسیداسیون و مواد شیمیایی خشن مقاوم هستند، برای کاربردهایی که در معرض شرایط تهاجمی قرار دارند (مانند اکتشاف نفت و گاز، حسگرهای دمای بالا) ایده‌آل هستند.

۲. خواص الکتریکی عالی برای قطعات نیمه‌هادی

• شکاف باند وسیع : SiC دارای شکاف باندی در حدود ۳.۲ eV است (در مقایسه با حدود ۱.۱ eV برای سیلیکون)، به این معنی که می‌تواند ولتاژهای بالاتر را تحمل کند و در دماهای بالاتر با اتلاف انرژی کمتر کار کند. این امر آن را برای دستگاه‌های قدرت ولتاژ بالا (مانند اینورترهای وسایل نقلیه الکتریکی، شبکه‌های انرژی تجدیدپذیر) که نیاز به اتلاف توان کم و راندمان بالا دارند، مناسب می‌کند.
• قدرت میدان شکست بالا : میدان شکست SiC (~2.5 × 10^6 ولت بر سانتی‌متر) تقریباً 10 برابر بیشتر از سیلیکون است که امکان طراحی دستگاه‌های نازک‌تر و جمع‌وجورتر با تلفات سوئیچینگ کمتر را فراهم می‌کند. به عنوان مثال، MOSFETها و دیودهای قدرت مبتنی بر SiC می‌توانند ولتاژهایی تا 10 کیلوولت را تحمل کنند، که آنها را برای الکترونیک قدرت نسل بعدی ضروری می‌کند.
• تحرک بالای الکترون : در میدان‌های الکتریکی بالا، الکترون‌ها در SiC سریع‌تر از سیلیکون حرکت می‌کنند و سرعت سوئیچینگ سریع‌تری را در ترانزیستورها ممکن می‌سازند. این امر برای کاربردهای فرکانس بالا مانند ایستگاه‌های پایه 5G و سیستم‌های رادار بسیار مهم است.

۳. سازگاری با تولید نیمه‌هادی پیشرفته

• ساختار کریستالی و خلوص : SiC را می‌توان به صورت تک کریستالی با خلوص بالا و حداقل نقص رشد داد که عملکرد الکتریکی ثابتی را تضمین می‌کند. تکنیک‌های مدرن اپیتاکسی (مانند رسوب بخار شیمیایی، CVD) امکان ایجاد لایه‌های نازک با کیفیت بالا روی زیرلایه‌های SiC را برای ساخت دستگاه فراهم می‌کنند.
• ادغام با مواد با شکاف باند وسیع : SiC به عنوان زیرلایه‌ای برای سایر نیمه‌رساناهای با شکاف باند وسیع مانند نیترید گالیوم (GaN) عمل می‌کند و ساختارهای دستگاه هیبریدی را که بهترین‌های هر دو ماده را ترکیب می‌کنند، ممکن می‌سازد (به عنوان مثال، ساختارهای ناهمگن GaN-on-SiC برای کاربردهای توان بالا و فرکانس بالا).

۴. مزایای زیست‌محیطی و عملکردی

• بهره‌وری انرژی : دستگاه‌هایی که روی زیرلایه‌های SiC ساخته می‌شوند، انرژی کمتری مصرف می‌کنند و گرمای کمتری تولید می‌کنند که به کاهش ردپای کربن کمک می‌کند. به عنوان مثال، اینورترهای مبتنی بر SiC در وسایل نقلیه الکتریکی می‌توانند برد باتری را در مقایسه با جایگزین‌های مبتنی بر سیلیکون، 5 تا 10 درصد بهبود بخشند.
• کوچک‌سازی : میدان شکست بالا، لایه‌های نازک‌تری از دستگاه را ممکن می‌سازد و اجزای کوچک‌تر و سبک‌تری را ممکن می‌سازد. این امر برای کاربردهای الکترونیک قابل حمل، هوافضا و خودرو که در آن‌ها فضا و وزن بسیار مهم هستند، بسیار مهم است.

۵. تقاضای بازار و روندهای فناوری

• رشد در کاربردهای توان بالا : با تغییر صنایع به سمت الکتریکی‌سازی (مثلاً وسایل نقلیه الکتریکی، ذخیره‌سازی انرژی تجدیدپذیر)، تقاضا برای دستگاه‌های توان با ولتاژ بالا و راندمان بالا افزایش یافته است. زیرلایه‌های SiC برای برآوردن این تقاضا نقش اساسی دارند.
• 5G و ارتباطات نسل بعدی : قابلیت‌های فرکانس بالای SiC، آن را برای زیرساخت 5G ضروری می‌کند، جایی که دستگاه‌ها باید همزمان از توان بالا و نرخ داده بالا استفاده کنند.

خلاصه: چرا SiC به عنوان ماده اولیه؟