رقائق SICOI (كربيد السيليكون على العازل) على فيلم SiC على السيليكون
مخطط تفصيلي
تقديم رقائق كربيد السيليكون على العازل (SICOI)
رقائق كربيد السيليكون على العازل (SICOI) هي ركائز أشباه موصلات من الجيل التالي، تجمع بين الخصائص الفيزيائية والإلكترونية الفائقة لكربيد السيليكون (SiC) وخصائص العزل الكهربائي المتميزة لطبقة عازلة، مثل ثاني أكسيد السيليكون (SiO₂) أو نتريد السيليكون (Si₃N₄). تتكون رقاقة SICOI النموذجية من طبقة رقيقة من كربيد السيليكون (SiC) فوقية، وغشاء عازل وسيط، وركيزة داعمة، إما من السيليكون أو كربيد السيليكون.
صُمم هذا الهيكل الهجين لتلبية المتطلبات الصارمة للأجهزة الإلكترونية عالية الطاقة والتردد ودرجات الحرارة العالية. من خلال دمج طبقة عازلة، تُقلل رقائق SICOI من السعة الطفيلية وتُثبط تيارات التسرب، مما يضمن ترددات تشغيل أعلى وكفاءة أفضل وإدارة حرارية مُحسّنة. هذه المزايا تجعلها ذات قيمة عالية في قطاعات مثل المركبات الكهربائية، والبنية التحتية لاتصالات الجيل الخامس، وأنظمة الطيران والفضاء، وإلكترونيات الترددات الراديوية المتقدمة، وتقنيات أجهزة استشعار MEMS.
مبدأ إنتاج رقائق SICOI
يتم تصنيع رقائق SICOI (كربيد السيليكون على العازل) من خلال عملية متقدمةعملية ربط الرقاقة وتخفيفها:
-
نمو ركيزة SiC- يتم تحضير رقاقة SiC أحادية البلورة عالية الجودة (4H/6H) كمواد مانحة.
-
ترسيب الطبقة العازلة- يتم تكوين فيلم عازل (SiO₂ أو Si₃N₄) على رقاقة الناقل (Si أو SiC).
-
ربط الرقاقة- يتم ربط رقاقة SiC ورقاقة الناقل معًا تحت درجة حرارة عالية أو بمساعدة البلازما.
-
التخفيف والتلميع– يتم ترقيق رقاقة المانح SiC إلى بضعة ميكرومترات وتلميعها للحصول على سطح أملس ذريًا.
-
التفتيش النهائي- يتم اختبار رقاقة SICOI المكتملة للتأكد من اتساق السُمك وخشونة السطح وأداء العزل.
ومن خلال هذه العملية،طبقة رقيقة من SiC النشطةمع خصائص كهربائية وحرارية ممتازة يتم دمجها مع فيلم عازل وركيزة داعمة، مما يخلق منصة عالية الأداء لأجهزة الطاقة والترددات الراديوية من الجيل التالي.
المزايا الرئيسية لرقائق SICOI
| فئة الميزة | الخصائص التقنية | الفوائد الأساسية |
|---|---|---|
| البنية المادية | طبقة نشطة من 4H/6H-SiC + فيلم عازل (SiO₂/Si₃N₄) + حامل Si أو SiC | يحقق عزلًا كهربائيًا قويًا ويقلل من التداخل الطفيلي |
| الخصائص الكهربائية | قوة انهيار عالية (>3 ميجا فولت/سم)، وخسارة عازلة منخفضة | مُحسَّن للعمل بجهد عالي وتردد عالي |
| الخصائص الحرارية | الموصلية الحرارية تصل إلى 4.9 واط/سم·كلفن، مستقرة فوق 500 درجة مئوية | تبديد فعال للحرارة، أداء ممتاز في ظل الأحمال الحرارية القاسية |
| الخصائص الميكانيكية | صلابة شديدة (موس 9.5)، معامل تمدد حراري منخفض | قوي ضد الإجهاد، ويعزز عمر الجهاز |
| جودة السطح | سطح فائق النعومة (Ra <0.2 نانومتر) | يعزز التركيب الطبقي الخالي من العيوب وتصنيع الأجهزة بشكل موثوق |
| العزل | المقاومة >10¹⁴ Ω·سم، تيار تسرب منخفض | تشغيل موثوق به في تطبيقات عزل الترددات الراديوية والجهد العالي |
| الحجم والتخصيص | متوفر بأحجام 4 و6 و8 بوصات؛ سمك SiC 1-100 ميكرومتر؛ عزل 0.1-10 ميكرومتر | تصميم مرن لمتطلبات التطبيقات المختلفة |
مجالات التطبيق الأساسية
| قطاع التطبيقات | حالات الاستخدام النموذجية | مزايا الأداء |
|---|---|---|
| إلكترونيات الطاقة | محولات السيارات الكهربائية، ومحطات الشحن، وأجهزة الطاقة الصناعية | جهد انهيار مرتفع، خسارة تحويل منخفضة |
| الترددات اللاسلكية و5G | مكبرات الطاقة في المحطة الأساسية، مكونات الموجات المليمترية | طفيليات منخفضة، تدعم عمليات النطاق جيجاهرتز |
| أجهزة استشعار MEMS | أجهزة استشعار الضغط في البيئات القاسية، وأجهزة MEMS المخصصة للملاحة | استقرار حراري عالي، مقاوم للإشعاع |
| الفضاء والدفاع | اتصالات الأقمار الصناعية، وحدات الطاقة الإلكترونية للطيران | الموثوقية في درجات الحرارة القصوى والتعرض للإشعاع |
| الشبكة الذكية | محولات التيار المستمر عالي الجهد، قواطع الدائرة ذات الحالة الصلبة | العزل العالي يقلل من فقدان الطاقة |
| الإلكترونيات الضوئية | مصابيح LED فوق البنفسجية، ركائز الليزر | جودة بلورية عالية تدعم انبعاث الضوء بكفاءة |
تصنيع 4H-SiCOI
يتم تحقيق إنتاج رقائق 4H-SiCOI من خلالعمليات ربط الرقاقة وتخفيفها، مما يتيح واجهات عزل عالية الجودة وطبقات SiC النشطة الخالية من العيوب.
-
a:مخطط تصنيع منصة المواد 4H-SiCOI.
-
b:صورة لرقاقة 4H-SiCOI مقاس 4 بوصات أثناء الترابط والتخفيف؛ مناطق العيوب محددة.
-
c:توصيف توحيد سمك ركيزة 4H-SiCOI.
-
d:صورة بصرية لقالب 4H-SiCOI.
-
e:تدفق العملية لتصنيع مرنان قرص صغير من SiC.
-
f:المجهر الإلكتروني الماسح لمرنان القرص الدقيق المكتمل.
-
g:مجهر مسح إلكتروني مُكبَّر يُظهِر الجدار الجانبي للرنان؛ يُظهِر ملحق المجهر الإلكتروني القوة الذرية نعومة السطح على نطاق النانو.
-
h:مجهر مسح إلكتروني مقطعي يوضح السطح العلوي على شكل مكافئ.
الأسئلة الشائعة حول رقائق SICOI
س1: ما هي المزايا التي تتمتع بها رقائق SICOI مقارنة برقائق SiC التقليدية؟
A1: على عكس ركائز SiC القياسية، تتضمن رقائق SICOI طبقة عازلة تعمل على تقليل السعة الطفيلية وتيارات التسرب، مما يؤدي إلى كفاءة أعلى واستجابة تردد أفضل وأداء حراري متفوق.
س2: ما هي أحجام الرقاقات المتوفرة عادةً؟
A2: يتم إنتاج رقائق SICOI عادةً بتنسيقات 4 بوصات و6 بوصات و8 بوصات، مع توفر سماكة SiC وطبقة عازلة مخصصة وفقًا لمتطلبات الجهاز.
س3: ما هي الصناعات التي تستفيد أكثر من رقائق SICOI؟
أ3: تشمل الصناعات الرئيسية الإلكترونيات القوية للسيارات الكهربائية، وإلكترونيات الترددات الراديوية لشبكات الجيل الخامس، والأنظمة الكهروميكانيكية الصغرى لأجهزة الاستشعار الفضائية، والإلكترونيات البصرية مثل مصابيح LED فوق البنفسجية.
س4: كيف تعمل الطبقة العازلة على تحسين أداء الجهاز؟
A4: يمنع الفيلم العازل (SiO₂ أو Si₃N₄) تسرب التيار ويقلل من التداخل الكهربائي، مما يتيح قدرة تحمل أعلى للجهد، وتبديل أكثر كفاءة، وتقليل فقدان الحرارة.
س5: هل رقائق SICOI مناسبة للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية؟
ج5: نعم، بفضل الموصلية الحرارية العالية والمقاومة التي تتجاوز 500 درجة مئوية، تم تصميم رقائق SICOI لتعمل بشكل موثوق تحت درجات الحرارة العالية وفي البيئات القاسية.
س6: هل يمكن تخصيص رقائق SICOI؟
ج٦: بالتأكيد. يُقدّم المصنّعون تصاميم مُصمّمة خصيصًا لسماكات مُحدّدة، ومستويات مُنشّطة، وتركيبات ركائز مُحدّدة لتلبية احتياجات بحثية وصناعية مُتنوّعة.
