Carburo de silicio cerámico vs. carburo de silicio semiconductor

carburo de silicio El carburo de silicio (SiC) es un compuesto fascinante. Se encuentra en la industria de semiconductores y en productos cerámicos avanzados. Esto suele generar confusión, ya que se piensa que son el mismo material. Sin embargo, no lo son. El carburo de silicio puede ser tanto una cerámica avanzada dura y resistente al desgaste como un semiconductor eficiente y de bajo consumo. Aunque ambas formas comparten... químico En cuanto a su composición, desempeñan dos funciones completamente diferentes en el sector industrial. El carburo de silicio cerámico y el carburo de silicio semiconductor difieren significativamente en su estructura cristalina, procesos de preparación, características de rendimiento y aplicaciones.

Requisitos de pureza de la materia prima

El carburo de silicio de grado cerámico tiene requisitos de pureza relativamente bajos. Generalmente, se encuentra entre 90% y 98% para productos industriales generales. Las cerámicas estructurales de alto rendimiento pueden requerir una pureza de entre 98% y 99,5%. Por ejemplo, el SiC sinterizado por reacción requiere un bajo contenido de silicio libre, lo que permite una pequeña cantidad de impurezas. En ocasiones, se añaden coadyuvantes de sinterización como alúmina (Al₂O₃) o itria (Y₂O₃). Estos aditivos mejoran el rendimiento de la sinterización, ayudan a reducir la temperatura de sinterización y aumentan la densidad del producto final.

El carburo de silicio de grado semiconductor requiere una pureza extremadamente alta. El SiC monocristalino a nivel de sustrato debe tener una pureza ≥99,9999% (6N). Algunas aplicaciones de alta gama exigen una pureza de 7N (99,99999%). Las concentraciones de impurezas, especialmente de boro (B), aluminio (Al) y vanadio (V), deben mantenerse por debajo de 10¹⁶ átomos/cm³. Incluso trazas de impurezas como el hierro (Fe) o el boro (B) pueden afectar gravemente el rendimiento eléctrico. Esto provoca dispersión de portadores, reducción de la resistencia a la ruptura y disminución del rendimiento y la fiabilidad del dispositivo.

Estructura y calidad del cristal

El carburo de silicio de grado cerámico generalmente se presenta en forma de polvo policristalino o cuerpos sinterizados. Estos consisten en pequeños cristales de SiC dispuestos aleatoriamente. La estructura cristalina incluye múltiples formas cristalinas, como α-SiC y β-SiC. No existe un requisito estricto para un único tipo de cristal. La prioridad es la densidad y la uniformidad del material. Su estructura interna presenta límites de grano y poros pequeños. También puede incluir coadyuvantes de sinterización como alúmina o itria.

El carburo de silicio de grado semiconductor debe ser un sustrato monocristalino o una capa epitaxial. La estructura cristalina es altamente ordenada. Es necesario controlar los tipos específicos de cristales. Se utilizan técnicas de crecimiento de cristales de alta precisión, como 4H-SiC y 6H-SiC. Las propiedades eléctricas, como la movilidad electrónica y la brecha de banda, son muy sensibles al tipo de cristal. El cristal 4H-SiC es el preferido para dispositivos de potencia. Ofrece alta movilidad de portadores y resistencia a la ruptura.

Proceso de preparación

El proceso de preparación del carburo de silicio de grado cerámico es relativamente sencillo. Implica preparación en polvoConformado y sinterización. Este proceso es similar a la cocción de ladrillos. Se mezcla polvo de SiC de grado industrial, generalmente de tamaño micrométrico, con un aglutinante. La mezcla se prensa para darle forma. Posteriormente, se sinteriza a altas temperaturas (1600 °C – 2200 °C). Esto provoca la difusión entre partículas para densificar el material. Una densidad de 90% o superior suele ser suficiente. El proceso no requiere un control preciso del crecimiento de los cristales. Se centra en la estabilidad y la consistencia del conformado y la sinterización. Esta flexibilidad permite la producción de componentes con formas complejas. Los requisitos de pureza de la materia prima son relativamente bajos.

El proceso de preparación del carburo de silicio de grado semiconductor es mucho más complejo. Incluye preparación de polvo de alta purezaCrecimiento de sustratos monocristalinos, deposición de capas epitaxiales y fabricación de dispositivos. Los sustratos monocristalinos se cultivan generalmente mediante transporte físico de vapor (PVT). Esto requiere altas temperaturas (2200 °C – 2400 °C) y condiciones de alto vacío. Se requiere un control preciso de los gradientes de temperatura (±1 °C) y la presión para garantizar la integridad del cristal. Posteriormente, se utiliza la deposición química de vapor (CVD) para el crecimiento de la capa epitaxial. El proceso debe realizarse en entornos ultralimpios, como salas blancas de clase 10. Se debe evitar la contaminación para mantener el rendimiento del material. Este proceso es altamente preciso. Se requieren estándares estrictos de pureza de la materia prima (>99,9999%) y de los equipos.

Diferencias de costos y enfoque de mercado

El carburo de silicio de grado cerámico es más económico. Utiliza polvo de SiC de grado industrial y un proceso de preparación más sencillo. El precio por tonelada suele oscilar entre miles y decenas de miles de yuanes. Sus aplicaciones comerciales son amplias, dirigidas principalmente a industrias como la de abrasivos, materiales refractarios y otros sectores sensibles a los costos.
El carburo de silicio de grado semiconductor es extremadamente caro. El proceso de preparación del sustrato es largo. El control de defectos es complejo. El rendimiento es bajo. Un sustrato de 6 pulgadas puede costar varios miles de dólares. Su mercado se centra en los campos de la electrónica de alta gama, como los dispositivos semiconductores de potencia y los componentes de radiofrecuencia (RF). Con el rápido crecimiento de industrias como los vehículos eléctricos y las comunicaciones 5G, la demanda del mercado está aumentando rápidamente.

Áreas de aplicación

El carburo de silicio de grado cerámico es un material resistente en la industria. Se utiliza principalmente como material estructural. Posee excelentes propiedades mecánicas, como alta dureza y resistencia al desgaste. También posee excelentes propiedades térmicas, como resistencia a altas temperaturas y a la oxidación. Se utiliza ampliamente en abrasivos (muelas abrasivas, papel de lija), materiales refractarios (revestimientos de hornos) y componentes resistentes al desgaste y a la corrosión (cuerpos de bombas, revestimientos de tuberías).

El carburo de silicio de grado semiconductor es la "élite electrónica". Aprovecha sus propiedades semiconductoras de banda prohibida amplia. Ofrece ventajas únicas en dispositivos electrónicos. En dispositivos de potencia, como inversores para vehículos eléctricos y convertidores para redes eléctricas, mejora la eficiencia de conversión de energía y reduce la pérdida de energía. En dispositivos de radiofrecuencia, como estaciones base 5G y radares, el carburo de silicio (SiC) semiconductor mejora la frecuencia operativa y la capacidad de transmisión de señales. También se utiliza en dispositivos optoelectrónicos, como sustratos LED azules, contribuyendo a la brillantez de las fuentes de luz azul.

Polvo épico

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