La primera generación de materiales semiconductores está representada por el silicio (Si) y el germanio (Ge) tradicionales, que son la base para la fabricación de circuitos integrados. Se utilizan ampliamente en transistores y detectores de bajo voltaje, baja frecuencia y baja potencia. Más del 90 % de los productos semiconductores están hechos de materiales a base de silicio.
Los materiales semiconductores de segunda generación están representados por el arseniuro de galio (GaAs), el fosfuro de indio (InP) y el fosfuro de galio (GaP). En comparación con los dispositivos basados en silicio, poseen propiedades optoelectrónicas de alta frecuencia y alta velocidad, y se utilizan ampliamente en los campos de la optoelectrónica y la microelectrónica.
La tercera generación de materiales semiconductores está representada por materiales emergentes como el carburo de silicio (SiC), el nitruro de galio (GaN), el óxido de zinc (ZnO), el diamante (C) y el nitruro de aluminio (AlN).
carburo de silicioEs un material básico importante para el desarrollo de la industria de semiconductores de tercera generación. Los dispositivos de potencia de carburo de silicio pueden satisfacer eficazmente los requisitos de alta eficiencia, miniaturización y ligereza de los sistemas electrónicos de potencia gracias a su excelente resistencia a altos voltajes, resistencia a altas temperaturas, bajas pérdidas y otras propiedades.
Debido a sus propiedades físicas superiores: una banda prohibida amplia (que se traduce en un alto campo eléctrico de ruptura y una alta densidad de potencia), alta conductividad eléctrica y alta conductividad térmica, se prevé que se convierta en el material básico más utilizado para la fabricación de chips semiconductores en el futuro. Presenta ventajas evidentes, especialmente en los campos de los vehículos de nueva energía, la generación de energía fotovoltaica, el transporte ferroviario, las redes inteligentes y otros sectores.
El proceso de producción de SiC se divide en tres etapas principales: crecimiento de monocristales de SiC, crecimiento de capas epitaxiales y fabricación de dispositivos, que corresponden a los cuatro eslabones principales de la cadena industrial:sustrato, epitaxia, dispositivos y módulos.
El método principal de fabricación de sustratos utiliza primero el método de sublimación física de vapor para sublimar el polvo en un entorno de vacío de alta temperatura y hacer crecer cristales de carburo de silicio en la superficie del cristal semilla mediante el control de un campo de temperatura. Utilizando una oblea de carburo de silicio como sustrato, se utiliza la deposición química de vapor para depositar una capa de monocristal en la oblea para formar una oblea epitaxial. Entre ellos, el crecimiento de una capa epitaxial de carburo de silicio sobre un sustrato conductor de carburo de silicio se puede convertir en dispositivos de potencia, que se utilizan principalmente en vehículos eléctricos, fotovoltaicos y otros campos; el crecimiento de una capa epitaxial de nitruro de galio sobre un semi-aislantesustrato de carburo de silicioAdemás, pueden transformarse en dispositivos de radiofrecuencia, utilizados en comunicaciones 5G y otros campos.
Por ahora, los sustratos de carburo de silicio presentan las mayores barreras técnicas en la cadena de valor de la industria del carburo de silicio, y son los más difíciles de producir.
El cuello de botella en la producción de SiC aún no se ha resuelto por completo, y la calidad de los pilares de cristal de materia prima es inestable y existe un problema de rendimiento, lo que conlleva un alto costo para los dispositivos de SiC. El silicio tarda un promedio de solo 3 días en crecer hasta formar una varilla de cristal, mientras que una varilla de cristal de carburo de silicio tarda una semana. Una varilla de cristal de silicio común puede crecer hasta 200 cm de largo, pero una de cristal de carburo de silicio solo puede crecer hasta 2 cm. Además, el SiC en sí es un material duro y quebradizo, y las obleas hechas de él son propensas a astillarse en los bordes cuando se utiliza el corte mecánico tradicional, lo que afecta el rendimiento y la confiabilidad del producto. Los sustratos de SiC son muy diferentes de los lingotes de silicio tradicionales, y todo, desde el equipo y los procesos hasta el procesamiento y el corte, debe desarrollarse para manipular el carburo de silicio.
La cadena de valor de la industria del carburo de silicio se divide principalmente en cuatro eslabones principales: sustrato, epitaxia, dispositivos y aplicaciones. Los materiales de sustrato son la base de la cadena de valor, los materiales epitaxiales son la clave para la fabricación de dispositivos, los dispositivos son el núcleo de la cadena de valor y las aplicaciones son el motor del desarrollo industrial. La industria de la cadena de valor inicial utiliza materias primas para fabricar materiales de sustrato mediante métodos de sublimación física de vapor y otros métodos, y luego utiliza métodos de deposición química de vapor y otros métodos para cultivar materiales epitaxiales. La industria de la cadena de valor intermedia utiliza materiales de la cadena de valor inicial para fabricar dispositivos de radiofrecuencia, dispositivos de potencia y otros dispositivos, que finalmente se utilizan en la cadena de valor final para comunicaciones 5G, vehículos eléctricos, transporte ferroviario, etc. Entre ellos, el sustrato y la epitaxia representan el 60% del costo de la cadena de valor y son el principal valor de la misma.
Sustrato de SiC: Los cristales de SiC se fabrican habitualmente mediante el método Lely. Los principales productos internacionales están pasando de 4 a 6 pulgadas, y ya se han desarrollado sustratos conductores de 8 pulgadas. Los sustratos nacionales son principalmente de 4 pulgadas. Dado que las líneas de producción de obleas de silicio de 6 pulgadas existentes pueden actualizarse y transformarse para producir dispositivos de SiC, la elevada cuota de mercado de los sustratos de SiC de 6 pulgadas se mantendrá durante mucho tiempo.
El proceso de fabricación de sustratos de carburo de silicio es complejo y difícil. El carburo de silicio es un semiconductor compuesto monocristalino formado por dos elementos: carbono y silicio. Actualmente, la industria utiliza principalmente polvo de carbono y silicio de alta pureza como materias primas para sintetizar el carburo de silicio. En un horno de cristalización, se emplea el método de transmisión física de vapor (PVT), un método consolidado, para obtener carburo de silicio de diferentes tamaños bajo un campo de temperatura específico. El lingote resultante se procesa, corta, rectifica, pule y limpia, entre otros múltiples procesos, para producir el sustrato de carburo de silicio.
Fecha de publicación: 22 de mayo de 2024