Carburo di silicio vs. silicio: Uno studio comparativo dei semiconduttori nelle applicazioni ad alta temperatura

1 Introduzione

Con l'ampia applicazione dei semiconduttori in vari aspetti della produzione e della vita, i requisiti di prestazione dei materiali semiconduttori nei diversi scenari di utilizzo stanno diventando sempre più diversi. In molti ambienti applicativi, i materiali semiconduttori devono lavorare ad alte temperature, il che richiede un'elevata stabilità termica, elettrica e densità di potenza dei materiali semiconduttori. In base a tali requisiti, i wafer di carburo di silicio (SiC) e di silicio (Si) hanno ricevuto attenzione come materiali semiconduttori con struttura e proprietà stabili e buona stabilità termica. La struttura a diamante di questi due cristalli atomici li rende estremamente stabili termicamente e possono assumere più funzioni semiconduttrici in ambienti ad alta temperatura. In questo articolo analizzeremo le differenze di prestazioni e le ragioni delle loro prestazioni negli scenari applicativi dei semiconduttori ad alta temperatura dal punto di vista della struttura cristallina e delle proprietà fisico-chimiche, e forniremo i riferimenti per le vostre scelte in combinazione con il processo di preparazione e il costo.

2 Struttura cristallina e proprietà del carburo di silicio e del wafer di silicio

2.1 Struttura cristallina e proprietà del carburo di silicio

In base alla struttura cristallina, il carburo di silicio può essere suddiviso in carburo di silicio α esagonale e carburo di silicio β cubico. Il carburo di silicio α (α-SiC) è il tipo di policristallino più comune e, in base alla disposizione degli atomi, si divide in 4H-SiC e 6H-SiC; nella struttura cristallina 4H-SiC, gli atomi di silicio e gli atomi di carbonio sono disposti in strati alternati, formando la struttura a reticolo cristallino esagonale; mentre nel 6H-SiC, si forma la struttura a reticolo cristallino esagonale e tetragonale alternata. La Figura 1 illustra la disposizione atomica di queste due strutture cristalline.

Fig.1 Struttura cristallina di 4H-SiC (sinistra) e 6H-SiC (destra)

Per quanto riguarda l'α-SiC, alcune proprietà del 4H-SiC e del 6H-SiC sono leggermente diverse a causa di piccole differenze nelle loro strutture reticolari. Il 4H-SiC ha un'ampia tolleranza al disallineamento reticolare, che caratterizza la capacità del cristallo di mantenere un certo grado di stabilità e qualità cristallina anche in presenza di una corrispondenza imperfetta tra le disposizioni atomiche nel reticolo ed è un parametro importante per descrivere la plasticità e la stabilità del materiale cristallino sotto l'azione delle sollecitazioni. È un parametro importante per descrivere la plasticità e la stabilità dei materiali cristallini sotto l'azione delle sollecitazioni. La combinazione di una maggiore tolleranza al disadattamento del reticolo con una maggiore intensità del campo di rottura e una migliore conducibilità elettrica si traduce in una migliore stabilità e affidabilità dei dispositivi 4H-SiC, che offrono buone prestazioni nell'elettronica e nell'optoelettronica ad alta potenza. Al contrario, il 6H-SiC presenta una maggiore mobilità degli elettroni e una minore sezione d'urto per la cattura degli elettroni, che conferiscono al 6H-SiC migliori proprietà di trasporto dei portatori, tra cui mobilità e durata.

Il carburo di silicio β (β-SiC) può essere rappresentato come 3C-SiC in base alla disposizione atomica, dove ogni atomo di silicio è circondato da quattro atomi di carbonio e quattro atomi di silicio vicini nella struttura reticolare cubica. La Figura 2 mostra la struttura della sua disposizione atomica.

Fig.2 Struttura cristallina del 3C-SiC

Rispetto ai β-SiC, gli α-SiC offrono una maggiore economicità e affidabilità dei dispositivi, poiché le loro strutture cristalline presentano una migliore stabilità, concentrazioni di impurità inferiori e densità di difetti più basse, che consentono loro di operare ad alte temperature, alte potenze e alte tensioni. Per quanto riguarda il 3C-SiC, la sua struttura cristallina gli consente di avere la più alta velocità teorica degli elettroni, ma è suscettibile alle impurità, con conseguenti tracce di corrosione da impurità. Il 3C-SiC ha un'elevata mobilità degli elettroni e una velocità di deriva di saturazione degli elettroni, nonché una bassa concentrazione di impurità e correnti di dispersione, che ne consentono l'utilizzo nell'elettronica ad alta potenza, nei dispositivi RF, ecc. Le diverse strutture cristalline di SiC presentano proprietà fisiche e chimiche specifiche e la struttura cristallina dei parametri rilevanti sono riportate nella Tabella 1.

Tabella 1 Proprietà dei cristalli di SiC con diverse strutture cristalline

2.2 Struttura cristallina e proprietà del silicio

I cristalli di silicio hanno la tipica struttura del diamante, con gli atomi di silicio disposti in modo equidistante a formare un reticolo cubico e ogni atomo di silicio collegato ai quattro atomi di silicio circostanti attraverso legami covalenti per formare una struttura orto-tetraedrica estremamente stabile, che conferisce ai monomeri di silicio un elevato punto di fusione (1414° C) e stabilità termica.C) e stabilità termica. La Figura 3 è una rappresentazione schematica della struttura di un cristallo di silicio.

Fig.3 Struttura cristallina del Si

Ogni atomo di silicio in un cristallo di silicio è collegato a quattro atomi di silicio circostanti da legami covalenti, formando una struttura cristallina stabile. Ciò rende il silicio chimicamente e termicamente stabile, con un punto di fusione di circa 1414 gradi Celsius. Il silicio ha anche un'elevata conducibilità termica, pari a circa 1,5-1,7 watt per metro-kelvin (W/m-K), che lo rende importante per le applicazioni di dissipazione del calore e gestione termica. Il silicio è un semiconduttore a bandgap indiretto con un bandgap di circa 1,1 elettronvolt (eV). A temperatura ambiente, il silicio si comporta come un isolante, ma quando viene eccitato (ad esempio, da un aumento di temperatura o dall'applicazione di un campo elettrico), gli elettroni possono saltare nella banda di conduzione, rendendolo un semiconduttore. Nei cristalli di silicio puri, la concentrazione di elettroni e buche è molto bassa, quindi si comporta come un isolante. Tuttavia, drogando o applicando un campo elettrico, è possibile introdurre ulteriori portatori liberi, facendo sì che il silicio mostri la conduttività di un semiconduttore o di un conduttore.

Fig.4 Schema della struttura a bande energetiche di un cristallo di silicio

3 Come SiC e Si sono migliori di altri materiali semiconduttori

3.1 Le sfide dei materiali semiconduttori in ambienti ad alta temperatura

Alle alte temperature, i materiali sono soggetti a stress termico ed espansione termica, con conseguente rottura della struttura cristallina e degrado delle proprietà. Per i materiali semiconduttori, in particolare quelli come il silicio, la stabilità termica è fondamentale. La struttura cristallina non solo influisce sull'indice di prestazione del dispositivo, ma può anche avere un impatto diretto sul funzionamento e sulla sicurezza dell'intero processo. Allo stesso tempo, le proprietà elettriche dei materiali semiconduttori sono soggette a cambiamenti in ambienti ad alta temperatura; ad esempio, la conduttività, la concentrazione di portatori, ecc. possono essere influenzate dalla temperatura e dai cambiamenti, che possono portare a un declino delle prestazioni dei dispositivi elettronici o a un fallimento. Inoltre, i materiali semiconduttori in ambienti ad alta temperatura sono soggetti a reazioni chimiche con l'ossigeno, il vapore acqueo, ecc. nell'ambiente circostante, con conseguente ossidazione della superficie del materiale, corrosione o diffusione di impurità nel materiale e altri fenomeni, che influiscono sulla stabilità e sulla durata del dispositivo. Il calore generato all'interno del dispositivo che lavora in un ambiente ad alta temperatura può anche causare un aumento della temperatura, con conseguenti ripercussioni sulle prestazioni e sulla stabilità del dispositivo. Pertanto, buoni sistemi di conduzione termica e di dissipazione del calore sono fondamentali per i dispositivi a semiconduttore in ambienti ad alta temperatura.

3.2 Vantaggi e svantaggi del carburo di silicio e del silicio

3.2.1 Proprietà termiche

Il Si ha un punto di fusione di circa 1414 gradi Celsius e il SiC ha un punto di fusione di circa 2700 gradi Celsius. La conducibilità termica del silicio è di circa 1,5-1,7 watt per metro-kelvin (W/m-K). Il SiC ha una conducibilità termica più elevata, in genere compresa tra 3 e 4,9 watt per metro-kelvin (W/m-K), a seconda della temperatura e della struttura cristallina. Come mostrato nella Figura 5, la conduttività termica del carburo di silicio è tre volte superiore a quella del silicio. Da un punto di vista complessivo della capacità di resistere ad ambienti ad alta temperatura, il SiC è in grado di sopportare temperature più elevate rispetto al Si e ha prestazioni di dissipazione del calore più eccellenti, che possono essere privilegiate nell'utilizzo di requisiti di temperatura estremamente elevati.

Fig.5 Il carburo di silicio ha una conducibilità termica 3 volte superiore al silicio

3.2.2 Proprietà fotoelettriche

Il SiC è un semiconduttore a banda larga con un bandgap di 2,2-3,3 elettronvolt (eV), mentre il Si è un semiconduttore a banda stretta con un bandgap più piccolo di circa 1,1 elettronvolt (eV). L'ampiezza del bandgap determina le proprietà conduttive del materiale. I materiali con un bandgap piccolo si comportano solitamente come buoni conduttori o semiconduttori, perché gli elettroni possono saltare nella banda di conduzione con relativa facilità e partecipare al comportamento conduttivo. I materiali con bandgap più ampio, invece, si comportano di solito come isolanti perché gli elettroni richiedono energie più elevate per saltare nella banda di conduzione, risultando in materiali con pochi portatori liberi a temperatura ambiente. L'ampiezza del bandgap determina anche le proprietà ottiche del materiale, come l'assorbimento, l'emissione e la trasmissione della luce. I materiali con bandgap più piccolo presentano solitamente buone proprietà di assorbimento della luce, perché possono assorbire più fotoni. I materiali con bandgap più ampio, invece, sono solitamente trasparenti o traslucidi perché possono assorbire solo fotoni con energie superiori all'ampiezza del bandgap. Queste diverse proprietà determinano anche l'applicazione di SiC e Si in scenari di utilizzo diversi.

3.2.3 Proprietà meccaniche e stabilità chimica

La durezza Mohs del SiC è di circa 9-9,5, che si avvicina alla durezza del diamante, mentre la durezza Mohs del Si è di circa 7, leggermente inferiore a quella del SiC. L'elevata durezza del SiC gli conferisce una buona resistenza all'abrasione e ai graffi, rendendolo adatto alla fabbricazione di dispositivi che richiedono resistenza all'abrasione. Allo stesso tempo, la resistenza del SiC è solitamente superiore a quella del Si. Il SiC ha un'eccellente resistenza alla flessione e alla trazione e può sopportare sollecitazioni maggiori senza subire deformazioni o rotture. Il SiC ha una buona stabilità chimica a temperatura ambiente e non viene facilmente attaccato da acidi, alcali e solventi, mentre il Si viene attaccato da alcuni agenti ossidanti e acidi forti.

4 Scenari applicativi diversi per il carburo di silicio e il silicio

Considerando le diverse proprietà di SiC e Si derivanti dalle loro strutture cristalline, è evidente come le loro applicazioni siano adattate ai loro punti di forza.

Il SiC vanta un'eccezionale stabilità termica e resistenza alle alte temperature, che lo rendono ideale per la realizzazione di dispositivi elettronici che operano in condizioni di calore estremo. Le applicazioni includono dispositivi di potenza, dispositivi RF e altro ancora. Le sue solide prestazioni in ambienti ad alta temperatura aprono la possibilità di soddisfare le richieste di settori come l'elettronica di potenza, le comunicazioni RF e l'elettronica automobilistica. Inoltre, la maggiore ampiezza del bandgap del SiC si traduce in tensioni di breakdown più elevate e in una minore resistenza di accensione, rendendolo particolarmente adatto alla produzione di dispositivi ad alta potenza come i MOSFET e i diodi di potenza.

D'altra parte, il Si è uno dei materiali semiconduttori più diffusi e trova ampio impiego nei dispositivi elettronici convenzionali come transistor, circuiti integrati e celle solari. Si tratta di un materiale fondamentale per la microelettronica, che beneficia di tecnologie di preparazione e metodi di lavorazione maturi che consentono alti livelli di integrazione e miniaturizzazione. La versatilità del Si si estende alle applicazioni optoelettroniche come LED, laser, fotorivelatori e celle solari, sfruttando le sue eccellenti proprietà fotovoltaiche e l'efficienza di conversione fotoelettrica.

5 Conclusione

Rispetto al silicio, il carburo di silicio tende ad avere una gamma più ampia di applicazioni in scenari a temperatura più elevata, ma a causa del suo processo di preparazione e della purezza del prodotto finito ottenuto, i wafer di silicio sono ancora la scelta più comunemente utilizzata nei casi in cui i requisiti di temperatura ambientale sono relativamente bassi. Stanford Advanced Materials fornisce wafer di carburo di silicio e wafer di silicio di alta qualità per i vari utilizzi.

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Riferimento:

[1]Fenglin G ,Chen S ,Xiufang C , et al. Modulazione di forma dovuta alla differenza di danno sub-superficiale su wafer 4H-SiC di tipo N durante la lappatura e la lucidatura[J]. Scienza dei materiali nella lavorazione dei semiconduttori, 2022, 152.