Materiali elettronici essenziali: Parte 2 - Carburo di silicio
1 Introduzione
Il carburo di silicio (SiC) è un materiale semiconduttore a banda larga con eccellenti proprietà di elevata durezza, alta conducibilità termica, alta temperatura e resistenza alla corrosione. Nel campo dell'elettronica, il SiC è ampiamente utilizzato nell'elettronica di potenza, in particolare nei veicoli elettrici, nelle comunicazioni 5G, nella generazione di energia fotovoltaica e nel settore aerospaziale, grazie alla sua capacità di lavorare stabilmente ad alte temperature, alte pressioni e alte frequenze. Rispetto ai materiali di silicio tradizionali, il carburo di silicio consente una conversione energetica più efficiente, un consumo energetico inferiore e una maggiore durata del dispositivo, rendendolo la scelta ideale per i dispositivi elettronici ad alte prestazioni.
2 Proprietà di base del carburo di silicio
Ilcarburo di silicio, una sostanza inorganica con formula chimica SiC, viene fuso ad alte temperature in forni a resistenza utilizzando materie prime come sabbia di quarzo, coke di petrolio (o coke di carbone) e trucioli di legno (per produrre carburo di silicio verde viene aggiunto sale da cucina). Il carburo di silicio è un semiconduttore presente in natura sotto forma di moissanite, un minerale estremamente raro. Viene prodotto in serie sotto forma di polvere e cristalli dal 1893 ed è utilizzato come abrasivo. Tra le materie prime refrattarie high-tech non ossidate come C, N, B, ecc. il carburo di silicio è il più utilizzato ed economico e può essere definito sabbia d'acciaio dorata o sabbia refrattaria.
Fig. 1 Wafer di carburo di silicio
Il carburo di silicio nero e il carburo di silicio verde, due varietà comunemente utilizzate, sono α-SiC. Il carburo di silicio nero contiene SiC per circa il 95% e la sua tenacità è superiore a quella del carburo di silicio verde, utilizzato soprattutto nella lavorazione di materiali a bassa resistenza alla trazione, come vetro, ceramica, pietra, materiali refrattari, ghisa e metalli non ferrosi. Il carburo di silicio verde, contenente SiC per circa il 97% o più, ha una buona capacità di autoaffilatura ed è utilizzato soprattutto nella lavorazione del carburo cementato, delle leghe di titanio e del vetro ottico, oltre che per la levigatura delle canne dei cilindri e la rettifica di precisione degli utensili da taglio in acciaio ad alta velocità. Inoltre, esiste il carburo di silicio cubico, un processo speciale di cristalli giallo-verdi, utilizzato per rendere l'abrasivo adatto alla lavorazione ultra-fine dei cuscinetti, che può rendere la rugosità superficiale da Ra32 ~ 0,16 micron a Ra0,04 ~ 0,02 micron di lavorazione una tantum.
Il SiC è un tipico materiale semiconduttore composto binario e l'unità di base della sua struttura cristallina è un tetraedro con simmetria quadrupla, cioè SiC4 o CSi4, dove la distanza tra due atomi di Si o due atomi di C adiacenti è di 3,08 Å, mentre la distanza tra atomi di C e Si adiacenti è solo di circa 1,89 Å. Nei cristalli di SiC, gli atomi di Si e C formano legami covalenti tetraedrici molto forti (energia di legame di 4,6 eV) condividendo coppie di elettroni sugli orbitali ibridati sp3. La condivisione di coppie di elettroni sugli orbitali ibridati sp3 forma legami covalenti tetraedrici molto forti (energia di legame di 4,6 eV).
Il carburo di silicio puro è un cristallo incolore e trasparente. Il carburo di silicio industriale è giallo chiaro, verde, blu o addirittura nero, a seconda del tipo e del contenuto di impurità, e la sua trasparenza varia a seconda della purezza. La struttura cristallina del carburo di silicio si divide in α-SiC esagonale o rombico e β-SiC cubico (chiamato carburo di silicio cubico). L'α-SiC, a causa della sua struttura cristallina di atomi di carbonio e silicio nell'impilamento di diverse sequenze e costituendo diverse varianti, è stato trovato in più di 70 tipi di. β-SiC in 2100 ℃ o più quando la trasformazione di α-SiC. L'α-SiC è il tipo di cristallo più comune, il β-SiC è il sistema cristallino cubico, noto anche come carburo di silicio cubico. È anche noto come carburo di silicio cubico. Finora il β-SiC ha avuto un uso commerciale relativamente limitato, anche se può essere utilizzato come supporto per catalizzatori multifase grazie alla sua maggiore area superficiale rispetto all'α-SiC. Il carburo di silicio viene prodotto industrialmente raffinandolo in un forno a resistenza utilizzando sabbia di quarzo di alta qualità e coke di petrolio. I blocchi di carburo di silicio raffinati vengono frantumati, lavati con acidi e alcali, selezionati magneticamente e vagliati o selezionati con acqua per ottenere prodotti di varie dimensioni.
Fig. 2 Diagramma di fase binario del SiC
Grazie alle sue proprietà chimiche stabili, all'elevata conducibilità termica, al basso coefficiente di espansione termica e all'eccellente resistenza all'usura, il carburo di silicio ha molte applicazioni oltre agli abrasivi. Ad esempio, l'applicazione di polvere di carburo di silicio alla girante delle turbine idrauliche o alla parete interna dei cilindri attraverso un processo speciale può migliorare la resistenza all'abrasione e prolungare la durata di vita da 1 a 2 volte. Inoltre, il carburo di silicio viene utilizzato nei materiali refrattari di alta qualità, offrendo vantaggi quali la resistenza agli shock termici, le dimensioni compatte, la leggerezza e l'elevata resistenza, che lo rendono altamente efficiente dal punto di vista energetico. Il carburo di silicio di bassa qualità (circa l'85% di SiC) è un eccellente disossidante che può accelerare la produzione di acciaio, facilitare il controllo della composizione chimica e migliorare la qualità dell'acciaio. Inoltre, il carburo di silicio è ampiamente utilizzato nella produzione di barre di carbonio di silicio per gli elementi di riscaldamento elettrico.
La durezza del carburo di silicio è molto elevata, con una durezza Mohs di 9,5, seconda solo al diamante più duro del mondo (10), ha un'eccellente conducibilità termica ed è un semiconduttore, con resistenza all'ossidazione ad alta temperatura.
Esistono almeno 70 forme cristalline di carburo di silicio. L'α-SiC è l'eterocristallo omogeneo più comune, si forma a temperature elevate, superiori a 2000 °C, e presenta un sistema cristallino esagonale (simile alla zincite fibrosa). Il β-SiC, con un sistema cristallino cubico, è simile al diamante e viene prodotto a temperature inferiori a 2000 °C. Il β-SiC è un catalizzatore eterogeneo con un'area superficiale specifica più elevata rispetto all'α-SiC. Per le applicazioni di catalizzatori eterogenei, il carburo di silicio β è interessante per la sua maggiore area superficiale specifica rispetto al carburo di silicio α. Esiste un altro tipo di carburo di silicio, il carburo di silicio μ, che è il più stabile e produce un suono più piacevole all'impatto. Finora, tuttavia, questi due tipi di carburo di silicio non sono stati utilizzati a livello commerciale.
Fig. 3 Strutture cristalline dei principali polimorfi di SiC
Grazie al suo peso specifico di 3,1 g/cm3 e alla sua temperatura di sublimazione relativamente elevata (circa 2700 °C), il carburo di silicio è adatto come materia prima per cuscinetti o forni ad alta temperatura. Non fonde a nessuna pressione raggiungibile e ha un'attività chimica piuttosto bassa. A causa della sua elevata conducibilità termica, dell'alta intensità del campo elettrico di collasso e del fatto che possiede la più alta densità di corrente, ci sono stati tentativi di utilizzare il carburo di silicio come sostituto del silicio, soprattutto nelle applicazioni dei componenti semiconduttori ad alta potenza. Inoltre, il carburo di silicio è fortemente accoppiato alle radiazioni a microonde e, grazie al suo elevato punto di sublimazione, può essere utilizzato per riscaldare i metalli.
Il carburo di silicio puro è incolore, ma nella produzione industriale il suo colore è solitamente marrone o nero a causa della presenza di impurità come il ferro. La lucentezza iridescente della superficie del cristallo è dovuta alla formazione di uno strato protettivo di silice.
Il SiC è un semiconduttore che, attraverso il drogaggio, modifica la struttura dei livelli energetici dei materiali SiC e ne modula ulteriormente le proprietà, utilizzando principalmente mezzi di impiantazione ionica per A, B, N e altri atomi del drogaggio. Tra questi: Al e altri atomi ospiti hanno maggiori probabilità di prendere il posto di Si nel reticolo del SiC per formare un livello energetico profondamente dominante, ottenendo così un semiconduttore di tipo P; mentre N e P e altri atomi ospiti hanno maggiori probabilità di occupare la posizione reticolare di C per formare un livello dominante poco profondo, ottenendo così un semiconduttore di tipo N. Vale la pena notare che il SiC ha un ampio intervallo di drogaggio (1X1014-1X1019 cm-3) che non si trova in altri semiconduttori ad ampio bandgap, ed è facile realizzare drogaggi di tipo N e P in questo intervallo; ad esempio, la resistività elettrica dei cristalli singoli 4H-SiC è di 5 Ω-cm dopo il drogaggio con AI.
3 Processi di fabbricazione del carburo di silicio
Il carburo di silicio viene prodotto con due metodi principali: il metodo della fusione e quello della deposizione chimica da vapore.
3.1 Metodo della fusione
Il metodo di fusione consiste nel fondere silicio e grafite (o silicio grafitizzato) mescolandoli ad alta temperatura e poi raffreddandoli per formare carburo di silicio. Il processo specifico è il seguente:
1. Preparazione delle materie prime: selezionare le materie prime di carbonio e di silicio di elevata purezza, polverizzarle e setacciarle in modo che le dimensioni delle particelle soddisfino i requisiti del processo.
2. Miscelazione: Mescolare le materie prime di carbonio e silicio frantumate secondo un determinato rapporto, in modo da disperdere le impurità.
3. Caricamento: le materie prime miscelate vengono introdotte nel forno ad alta temperatura; il forno deve essere fissato a una certa temperatura e l'atmosfera deve mantenere una certa pressione negativa.
4. Reazione di carbonizzazione: ad alta temperatura, le materie prime di carbonio e silicio reagiscono per produrre carburo di silicio. La temperatura della reazione è solitamente compresa tra 2000-2500 gradi Celsius.
5. Raffreddamento e separazione: Dopo la reazione di carbonizzazione, il forno viene chiuso per il raffreddamento. Il materiale di carburo di silicio viene quindi rimosso dal forno e il carburo di silicio di diverse dimensioni viene separato con metodi fisici (ad esempio, frantumazione e setacciatura).
3.2 Deposizione di vapore chimico
Ladeposizione chimica da vapore (CVD) è un metodo per formare carburo di silicio sulla superficie di un substrato depositando una fonte di carbonio e silicio in un gas attraverso una reazione chimica in fase gassosa. Il processo specifico è il seguente:
1. Preparazione del substrato: scegliere substrati adatti, come quarzo, grafite, ecc. e pulirli e trattarli in base ai requisiti del processo per rendere la superficie liscia.
2. Caricamento del reattore: inserire il substrato trattato nel reattore CVD e riscaldare il reattore a una temperatura adeguata.
3. Alimentazione del gas di reazione: Fornire il gas contenente fonti di carbonio e silicio nel reattore a una certa portata e controllare contemporaneamente la temperatura di reazione, la pressione e il rapporto di gas.
4. Reazione in fase gassosa: I gas delle fonti di carbonio e silicio reagiscono chimicamente sulla superficie del substrato per produrre carburo di silicio. La natura del carburo di silicio può essere modificata introducendo fonti di drogaggio durante il processo di reazione.
5. Raffreddamento e polimerizzazione: Al termine della reazione, l'alimentazione di gas viene interrotta, il reattore viene spento e si procede al raffreddamento. Durante il processo di raffreddamento, il carburo di silicio polimerizza sulla superficie del substrato formando un film sottile o un blocco di carburo di silicio.
A seconda dei requisiti applicativi, si può scegliere un processo adatto per produrre materiali di carburo di silicio con proprietà specifiche.
Fig. 4 Struttura della deposizione chimica da vapore (CVD)
4 Applicazioni del carburo di silicio
4.1 Elettronica di potenza
Nei dispositivi a semiconduttore di potenza (ad esempio, MOSFET, IGBT), il carburo di silicio offre una soluzione più efficiente per la conversione di potenza. Mentre i materiali convenzionali a base di silicio hanno prestazioni limitate a correnti e tensioni elevate, i materiali SiC hanno caratteristiche di ampia larghezza di banda che consentono di mantenere basse le perdite di commutazione e di ridurre la perdita di energia alle alte tensioni. Questo vantaggio è particolarmente evidente nei veicoli elettrici e nei sistemi di generazione di energia rinnovabile, in quanto garantisce una maggiore autonomia e tempi di ricarica più brevi per i veicoli elettrici, nonché una migliore efficienza energetica nei sistemi fotovoltaici ed eolici. Inoltre, il carburo di silicio consente una conversione efficiente dell'energia nei dispositivi ad alta tensione dei sistemi di rete elettrica, favorendo una trasmissione intelligente ed efficiente dell'energia.
4.2 Dispositivi ad alta temperatura e ad alta frequenza
Il carburo di silicio eccelle nei campi delle alte temperature e delle alte frequenze ed è particolarmente adatto per gli interruttori ad alta frequenza che richiedono un funzionamento ad alta velocità nelle stazioni base 5G e nell'elettronica militare. La sua capacità di mantenere stabili le prestazioni elettriche in ambienti ad alta temperatura compensa la mancanza di degrado delle prestazioni dei dispositivi tradizionali in silicio in condizioni di alta temperatura. Grazie all'ampia larghezza di banda e all'elevata conducibilità termica, il SiC è in grado di mantenere buone prestazioni elettriche a temperature operative più elevate rispetto al silicio, rendendolo un materiale ideale per i sistemi di comunicazione e radar ad alta frequenza e in grado di soddisfare la richiesta di velocità di trasmissione dati più elevate nelle stazioni base 5G.
4.3 LED e applicazioni optoelettroniche
Ilcarburo di silicio è stato uno dei primi materiali utilizzati per i LED blu. Sebbene oggi sia spesso sostituito dal nitruro di gallio, rimane prezioso nei dispositivi optoelettronici per specifiche bande di lunghezza d'onda, in particolare nella fotorivelazione UV e NIR. Le proprietà del SiC, resistenti alle alte temperature e alle radiazioni, ne consentono l'utilizzo in un'ampia gamma di applicazioni in ambienti ottici estremi. Come substrato stabile, può essere integrato in fotorivelatori resistenti alle alte temperature e alle radiazioni, adatti ai sistemi di illuminazione e ai dispositivi di sensori ottici che richiedono un'elevata stabilità dell'emissione luminosa.
Fig. 5 Wafer di carburo di silicio per applicazioni optoelettroniche
4.4 Sensori
Il SiC presenta vantaggi unici nei sensori per ambienti estremi. È in grado di rilevare con precisione gas, temperatura, pressione e altri parametri nei sensori chimici e nei sensori di gas ad alta temperatura, adatti all'industria petrolchimica e ad altre industrie che richiedono un'elevata stabilità chimica. I sensori SiC hanno un'eccellente resistenza alla corrosione e stabilità alle alte temperature e possono funzionare efficacemente in ambienti in cui i sensori tradizionali falliscono, il che è particolarmente adatto per ambienti industriali ad alta temperatura e altamente corrosivi.
4.5 Applicazioni aerospaziali e di difesa
Nelle apparecchiature aerospaziali e di difesa, come satelliti e missili, che richiedono elevata affidabilità e durata, il carburo di silicio è favorito per il suo elevato punto di fusione, la resistenza alle radiazioni e le caratteristiche di robustezza. I dispositivi SiC non solo resistono a temperature estreme, ma forniscono anche prestazioni affidabili in ambienti con vuoto e forti radiazioni, consentendo loro di svolgere un ruolo centrale in aree critiche come le comunicazioni satellitari e il controllo missilistico, migliorando l'affidabilità e la durata delle apparecchiature in ambienti estremi.
Fig. 6 Specchi in carburo di silicio per applicazioni aerospaziali
5 Vantaggi e limiti del carburo di silicio
5.1 Vantaggi del carburo di silicio
1. Prestazioni ad alta temperatura e ad alta pressione: La stabilità termica e le proprietà elettriche del SiC in ambienti ad alta temperatura sono superiori a quelle dei materiali al silicio tradizionali. L'elevato punto di fusione e le proprietà antiossidanti del SiC lo rendono stabile in ambienti estremi, il che è particolarmente importante nel settore aerospaziale, nelle apparecchiature elettroniche militari e in altre applicazioni che richiedono una resistenza alle alte temperature. La sua struttura ad ampia larghezza di banda presenta una minore corrente di dispersione alle alte tensioni, che riduce notevolmente l'impatto degli effetti termici, un vantaggio difficile da ottenere con i materiali tradizionali al silicio.
2. Applicazioni ad alta frequenza e ad alta potenza: Le caratteristiche di ampia larghezza di banda e l'elevata mobilità dei portatori dei materiali SiC conferiscono loro un vantaggio significativo nelle applicazioni ad alta frequenza e ad alta potenza. Rispetto al silicio, i dispositivi SiC sono in grado di ridurre più efficacemente la perdita di energia nei dispositivi ad alta frequenza e di ottenere prestazioni superiori nelle applicazioni ad alta potenza. Ciò lo rende un materiale ideale per i dispositivi elettronici che richiedono la commutazione di segnali ad alta velocità, come le stazioni base di comunicazione 5G e i sistemi radar ad alta frequenza.
3. Conversione efficiente dell'energia: I dispositivi di potenza SiC possono migliorare significativamente l'efficienza energetica dei veicoli elettrici e dei sistemi di energia rinnovabile. Grazie alla bassa perdita di conduzione e all'elevata capacità di bloccare la tensione, l'inverter SiC nei veicoli elettrici è più efficiente e consente di estendere efficacemente l'autonomia. Inoltre, negli inverter dei sistemi di energia solare ed eolica, i dispositivi SiC migliorano significativamente l'efficienza di conversione dell'energia, riducono la temperatura di funzionamento del sistema e migliorano l'affidabilità dell'apparecchiatura.
Fig. 7 Serbatoio di riduzione del carburo di silicio ad alta temperatura
5.2 Limitazioni del carburo di silicio
1. Costo elevato: Rispetto ai materiali a base di silicio, il SiC è più costoso da preparare e lavorare e richiede un supporto di processo specifico ad alta precisione, con un impatto maggiore sui costi di produzione. Il costo di crescita dei cristalli di SiC di alta qualità è molto più alto di quello dei materiali di silicio, quindi il prezzo di mercato dei dispositivi SiC è ancora elevato, il che influisce sulla sua promozione in mercati sensibili ai costi come quello dell'elettronica di consumo.
2. Processo complesso: Il processo di preparazione del cristallo singolo di SiC è complesso, soprattutto quando la preparazione di un cristallo singolo di SiC di elevata purezza e qualità è più difficile. Attualmente, il tasso di crescita dei cristalli di SiC è lento ed è molto facile che si producano difetti nel processo di produzione, con conseguente bassa resa dei dispositivi. Inoltre, l'elevata durezza del SiC ne rende difficile la lavorazione, limitandone ulteriormente l'applicazione su larga scala.
3. Affidabilità del dispositivo: Sebbene il SiC si comporti bene in ambienti estremi, come le alte temperature e le alte pressioni, l'affidabilità a lungo termine di alcuni dispositivi SiC deve ancora essere migliorata nelle applicazioni pratiche. Rispetto al processo maturo del silicio, il problema dell'invecchiamento dei dispositivi SiC in condizioni estreme non è ancora stato completamente risolto e la richiesta di cicli di vita più lunghi in alcuni scenari applicativi richiede un ulteriore miglioramento della stabilità e dell'affidabilità dei dispositivi.
6 Conclusioni
In conclusione, il carburo di silicio (SiC) si è affermato come materiale cruciale nei materiali elettronici grazie ai suoi vantaggi unici, tra cui l'elevata conducibilità termica, la durezza e le prestazioni superiori in ambienti ad alta temperatura, alta pressione e alta frequenza. La sua applicazione abbraccia diversi settori - elettronica di potenza, dispositivi ad alta temperatura e ad alta frequenza, LED, sensori e aerospazio - che traggono vantaggio dall'efficienza del SiC nella conversione dell'energia, dalla maggiore durata dei dispositivi e dalla stabilità in condizioni estreme. Tuttavia, i costi elevati, i complessi processi di fabbricazione e i problemi di affidabilità limitano ancora l'adozione diffusa del SiC. Con i progressi delle tecnologie di produzione e dell'efficienza dei costi, si prevede che il carburo di silicio svolgerà un ruolo ancora più importante nelle applicazioni elettroniche specializzate e ad alte prestazioni.
Stanford Advanced Materials (SAM) è un fornitore chiave di materiali in carburo di silicio di alta qualità, che supporta queste applicazioni critiche con soluzioni affidabili.
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