La primera generación de materiales semiconductores está representada por el silicio (Si) y el germanio (Ge) tradicionales, que constituyen la base de la fabricación de circuitos integrados. Se utilizan ampliamente en transistores y detectores de baja tensión, baja frecuencia y baja potencia. Más del 90 % de los productos semiconductores están fabricados con 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 altas tensiones y temperaturas, bajas pérdidas y otras propiedades.
Gracias a sus propiedades físicas superiores: alta banda prohibida (que se corresponde con un alto campo eléctrico de ruptura y una alta densidad de potencia), alta conductividad eléctrica y 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 nuevas energías, la generación de energía fotovoltaica, el transporte ferroviario, las redes inteligentes y otros.
El proceso de producción de SiC se divide en tres pasos principales: crecimiento del monocristal de SiC, crecimiento de la capa epitaxial y fabricación del dispositivo, que corresponden a los cuatro eslabones principales de la cadena industrial:sustrato, epitaxia, dispositivos y módulos.
El método convencional de fabricación de sustratos utiliza primero la sublimación física de vapor para sublimar el polvo en un entorno de vacío a alta temperatura y generar 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 sobre la oblea y formar una oblea epitaxial. Entre ellos, el crecimiento de una capa epitaxial de carburo de silicio sobre un sustrato conductor de carburo de silicio permite la fabricación de dispositivos de potencia, que se utilizan principalmente en vehículos eléctricos, energía fotovoltaica y otros campos; el crecimiento de una capa epitaxial de nitruro de galio sobre un material semiaislante.sustrato de carburo de silicioAdemás, pueden convertirse en dispositivos de radiofrecuencia, utilizados en comunicaciones 5G y otros campos.
Por ahora, los sustratos de carburo de silicio tienen las barreras técnicas más altas en la cadena de la industria del carburo de silicio, y son los más difíciles de producir.
El cuello de botella en la producción de SiC no se ha resuelto por completo, y la calidad de los pilares de cristal como materia prima es inestable y existe un problema de rendimiento, lo que conlleva el alto costo de los dispositivos de SiC. El silicio solo tarda un promedio de 3 días en convertirse en una varilla de cristal, pero una varilla de cristal de carburo de silicio tarda una semana. Una varilla de cristal de silicio común puede crecer 200 cm de largo, pero una varilla de cristal de carburo de silicio solo puede crecer 2 cm de largo. Además, el SiC en sí mismo 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 los equipos, los procesos y el procesamiento hasta el corte, debe desarrollarse para manejar el carburo de silicio.
La cadena industrial 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 industrial, los materiales epitaxiales son la clave para la fabricación de dispositivos, los dispositivos son el núcleo de la cadena industrial y las aplicaciones son la fuerza impulsora del desarrollo industrial. La industria upstream 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 midstream utiliza materiales upstream para fabricar dispositivos de radiofrecuencia, dispositivos de potencia y otros dispositivos, que finalmente se utilizan en las comunicaciones 5G downstream, vehículos eléctricos, tránsito ferroviario, etc. Entre ellos, el sustrato y la epitaxia representan el 60% del costo de la cadena industrial y son el principal valor de la cadena industrial.
Sustrato de SiC: Los cristales de SiC se fabrican habitualmente mediante el método Lely. Los productos internacionales más comunes están cambiando de 4 pulgadas a 6 pulgadas, y 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 alta cuota de mercado de los sustratos de SiC de 6 pulgadas se mantendrá a largo plazo.
El proceso de producción de sustratos de carburo de silicio es complejo y difícil. El sustrato de carburo de silicio es un material semiconductor monocristalino compuesto por dos elementos: carbono y silicio. Actualmente, la industria utiliza principalmente polvo de carbono y polvo de silicio de alta pureza como materias primas para sintetizar el carburo de silicio en polvo. En un campo de temperatura especial, se utiliza el método de transmisión física de vapor (PVT) para el crecimiento de carburo de silicio de diferentes tamaños en un horno de crecimiento de cristales. El lingote de cristal se procesa, corta, rectifica, pule, limpia y realiza otros procesos para producir un sustrato de carburo de silicio.
Hora de publicación: 22 de mayo de 2024