Carburo di silicio ceramico vs carburo di silicio semiconduttore

carburo di silicio Il SiC è un composto affascinante. Lo si può trovare nell'industria dei semiconduttori e nei prodotti ceramici avanzati. Questo spesso crea confusione, poiché si potrebbe pensare che si tratti dello stesso materiale. Tuttavia, non lo sono. Il carburo di silicio può essere sia una ceramica avanzata dura e resistente all'usura, sia un semiconduttore efficiente e a risparmio energetico. Sebbene entrambe le forme condividano lo stesso... chimico Composizione, svolgono due ruoli completamente diversi nel settore industriale. Il carburo di silicio ceramico e il carburo di silicio semiconduttore differiscono significativamente per struttura cristallina, processi di preparazione, caratteristiche prestazionali e applicazioni:

Requisiti di purezza delle materie prime

Il carburo di silicio di grado ceramico ha requisiti di purezza relativamente bassi. In genere, è compreso tra 90% e 98% per prodotti di livello industriale generico. Le ceramiche strutturali ad alte prestazioni possono richiedere una purezza compresa tra 98% e 99,5%. Ad esempio, il SiC sinterizzato per reazione richiede un basso contenuto di silicio libero. Permette la presenza di una piccola quantità di impurità. Talvolta vengono aggiunti coadiuvanti di sinterizzazione come allumina (Al₂O₃) o ittrio (Y₂O₃). Questi additivi migliorano le prestazioni di sinterizzazione, contribuendo a ridurre la temperatura di sinterizzazione e ad aumentare la densità del prodotto finale.

Il carburo di silicio di grado semiconduttore richiede una purezza estremamente elevata. Il SiC monocristallino a livello di substrato deve avere una purezza ≥99,9999% (6N). Alcune applicazioni di fascia alta richiedono una purezza 7N (99,99999%). Le concentrazioni di impurità, in particolare boro (B), alluminio (Al) e vanadio (V), devono essere mantenute al di sotto di 10¹⁶ atomi/cm³. Anche tracce di impurità come ferro (Fe) o boro (B) possono influire gravemente sulle prestazioni elettriche. Ciò causa dispersione dei portatori, riduzione della resistenza alla rottura e riduzione delle prestazioni e dell'affidabilità del dispositivo.

Struttura e qualità cristallina

Il carburo di silicio di grado ceramico si presenta generalmente sotto forma di polvere policristallina o di corpi sinterizzati. Questi ultimi sono costituiti da piccoli cristalli di SiC disposti in modo casuale. La struttura cristallina include molteplici forme cristalline, come α-SiC e β-SiC. Non esiste un requisito specifico per un tipo di cristallo singolo. L'attenzione è rivolta alla densità e all'uniformità del materiale. La sua struttura interna presenta bordi di grano e piccoli pori. Può anche includere coadiuvanti di sinterizzazione come allumina o ittrio.

Il carburo di silicio di grado semiconduttore deve essere un substrato monocristallino o uno strato epitassiale. La struttura cristallina è altamente ordinata. È necessario controllare specifici tipi di cristalli. Vengono utilizzate tecniche di crescita cristallina ad alta precisione, come 4H-SiC e 6H-SiC. Proprietà elettriche come la mobilità elettronica e il gap di banda sono altamente sensibili al tipo di cristallo. Il tipo di cristallo 4H-SiC è preferito per i dispositivi di potenza. Offre elevata mobilità dei portatori e resistenza alla rottura.

Processo di preparazione

Il processo di preparazione del carburo di silicio di grado ceramico è relativamente semplice. Comporta preparazione della polvere, formatura e sinterizzazione. Questo processo è simile alla "cottura dei mattoni". La polvere di SiC di livello industriale, tipicamente di dimensioni micrometriche, viene miscelata con un legante. La miscela viene pressata fino a formare la forma desiderata. Viene quindi sinterizzata ad alte temperature (1600 °C - 2200 °C). Questo processo provoca la diffusione tra le particelle per densificare il materiale. Una densità di 90% o superiore è in genere sufficiente. Il processo non richiede un controllo preciso della crescita dei cristalli. Si concentra sulla stabilità e l'uniformità della formatura e della sinterizzazione. Questa flessibilità consente la produzione di componenti di forma complessa. I requisiti di purezza della materia prima sono relativamente bassi.

Il processo di preparazione del carburo di silicio di grado semiconduttore è molto più complesso. Include preparazione di polvere ad alta purezzaCrescita di substrati monocristallini, deposizione di strati epitassiali e produzione di dispositivi. I substrati monocristallini vengono solitamente coltivati utilizzando il trasporto fisico da vapore (PVT). Ciò richiede alte temperature (2200 °C – 2400 °C) e condizioni di vuoto spinto. Per garantire l'integrità dei cristalli è necessario un controllo preciso dei gradienti di temperatura (±1 °C) e della pressione. Successivamente, si utilizza la deposizione chimica da vapore (CVD) per far crescere lo strato epitassiale. Il processo deve avvenire in ambienti ultra-puliti, come le camere bianche di Classe 10. È necessario prevenire la contaminazione per mantenere le prestazioni del materiale. Questo processo è estremamente preciso. Sono richiesti rigorosi standard di purezza delle materie prime (>99,9999%) e delle attrezzature.

Differenze di costo e focus sul mercato

Il carburo di silicio di grado ceramico è meno costoso. Utilizza polvere di SiC di qualità industriale e un processo di preparazione più semplice. Il prezzo per tonnellata varia tipicamente da migliaia a decine di migliaia di yuan. Le sue applicazioni di mercato sono ampie, principalmente rivolte a settori come quello degli abrasivi, dei materiali refrattari e altri settori sensibili ai costi.
Il carburo di silicio di grado semiconduttore è estremamente costoso. Il processo di preparazione del substrato è lungo. Il controllo dei difetti è impegnativo. Il tasso di rendimento è basso. Un substrato da 6 pollici può costare diverse migliaia di dollari. Il suo mercato si concentra sui settori dell'elettronica di fascia alta, tra cui dispositivi a semiconduttore di potenza e componenti RF. Con la rapida crescita di settori come i veicoli elettrici e le comunicazioni 5G, la domanda di mercato è in rapida crescita.

Aree di applicazione

Il carburo di silicio di grado ceramico è il "resistente" dell'industria. Viene utilizzato principalmente come materiale strutturale. Presenta eccellenti proprietà meccaniche, come elevata durezza e resistenza all'usura. Presenta anche eccellenti proprietà termiche, come resistenza alle alte temperature e all'ossidazione. È ampiamente utilizzato negli abrasivi (mole, carta vetrata), nei materiali refrattari (rivestimenti per forni) e nei componenti resistenti all'usura e alla corrosione (corpi pompa, rivestimenti per tubi).

Il carburo di silicio di grado semiconduttore è l'"élite elettronica". Sfrutta le sue proprietà di semiconduttore ad ampio bandgap. Offre vantaggi unici nei dispositivi elettronici. Nei dispositivi di potenza, come inverter per veicoli elettrici e convertitori per reti elettriche, migliora l'efficienza di conversione di potenza e riduce le perdite di energia. Nei dispositivi RF, come stazioni base 5G e radar, il SiC semiconduttore migliora la frequenza operativa e le capacità di trasmissione del segnale. Viene utilizzato anche nei dispositivi optoelettronici, come i substrati LED blu, contribuendo alla produzione di sorgenti di luce blu brillante.

Polvere epica

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