La prima generazione di materiali semiconduttori è rappresentata dal silicio (Si) e dal germanio (Ge) tradizionali, che costituiscono la base per la produzione di circuiti integrati. Sono ampiamente utilizzati in transistor e rivelatori a bassa tensione, bassa frequenza e bassa potenza. Oltre il 90% dei prodotti semiconduttori è realizzato con materiali a base di silicio;
I materiali semiconduttori di seconda generazione sono rappresentati dall'arseniuro di gallio (GaAs), dal fosfuro di indio (InP) e dal fosfuro di gallio (GaP). Rispetto ai dispositivi a base di silicio, presentano proprietà optoelettroniche ad alta frequenza e alta velocità e sono ampiamente utilizzati nei settori dell'optoelettronica e della microelettronica.
La terza generazione di materiali semiconduttori è rappresentata da materiali emergenti come il carburo di silicio (SiC), il nitruro di gallio (GaN), l'ossido di zinco (ZnO), il diamante (C) e il nitruro di alluminio (AlN).
carburo di silicioIl carburo di silicio è un materiale di base fondamentale per lo sviluppo dell'industria dei semiconduttori di terza generazione. I dispositivi di potenza in carburo di silicio, grazie alla loro eccellente resistenza alle alte tensioni, alle alte temperature, alle basse perdite e ad altre proprietà, possono soddisfare efficacemente i requisiti di elevata efficienza, miniaturizzazione e leggerezza dei sistemi di elettronica di potenza.
Grazie alle sue superiori proprietà fisiche: elevata banda proibita (corrispondente a un elevato campo elettrico di rottura e ad un'elevata densità di potenza), elevata conduttività elettrica ed elevata conduttività termica, si prevede che diventerà in futuro il materiale di base più utilizzato per la produzione di chip semiconduttori. In particolare, presenta evidenti vantaggi nei settori dei veicoli a energia alternativa, della produzione di energia fotovoltaica, del trasporto ferroviario, delle reti intelligenti e in altri ambiti.
Il processo di produzione del SiC si articola in tre fasi principali: crescita del monocristallo di SiC, crescita dello strato epitassiale e fabbricazione del dispositivo, che corrispondono ai quattro anelli principali della catena industriale:substrato, epitassiadispositivi e moduli.
Il metodo principale di fabbricazione dei substrati utilizza innanzitutto il metodo di sublimazione fisica del vapore per sublimare la polvere in un ambiente sottovuoto ad alta temperatura e far crescere cristalli di carburo di silicio sulla superficie del cristallo seme attraverso il controllo di un campo di temperatura. Utilizzando un wafer di carburo di silicio come substrato, la deposizione chimica da fase vapore viene utilizzata per depositare uno strato di monocristallo sul wafer per formare un wafer epitassiale. Tra questi, la crescita di uno strato epitassiale di carburo di silicio su un substrato conduttivo di carburo di silicio può essere realizzata in dispositivi di potenza, che sono utilizzati principalmente in veicoli elettrici, fotovoltaico e altri campi; la crescita di uno strato epitassiale di nitruro di gallio su un semi-isolantesubstrato di carburo di siliciopossono essere ulteriormente trasformati in dispositivi a radiofrequenza, utilizzati nelle comunicazioni 5G e in altri settori.
Attualmente, i substrati in carburo di silicio presentano le barriere tecniche più elevate nella catena di produzione del carburo di silicio e sono i più difficili da realizzare.
Il collo di bottiglia nella produzione di SiC non è stato completamente risolto e la qualità dei pilastri cristallini della materia prima è instabile, con conseguenti problemi di resa, che incidono sull'elevato costo dei dispositivi in SiC. Il silicio impiega in media solo 3 giorni per crescere fino a formare una barra cristallina, mentre per una barra cristallina di carburo di silicio ne occorre una settimana. Una barra cristallina di silicio comune può raggiungere una lunghezza di 200 cm, mentre una di carburo di silicio può crescere solo fino a 2 cm. Inoltre, il SiC è un materiale duro e fragile, e i wafer realizzati con esso sono soggetti a scheggiature sui bordi quando si utilizzano i tradizionali sistemi di taglio meccanico, il che influisce sulla resa e sull'affidabilità del prodotto. I substrati in SiC sono molto diversi dai tradizionali lingotti di silicio, e tutto, dalle attrezzature ai processi, dalla lavorazione al taglio, deve essere sviluppato per poter gestire il carburo di silicio.
La filiera industriale del carburo di silicio è suddivisa principalmente in quattro fasi principali: substrato, epitassia, dispositivi e applicazioni. I materiali di substrato costituiscono le fondamenta della filiera, i materiali epitassiali sono fondamentali per la produzione di dispositivi, i dispositivi rappresentano il cuore della filiera e le applicazioni sono la forza trainante dello sviluppo industriale. La fase a monte (upstream) utilizza materie prime per produrre materiali di substrato tramite metodi di sublimazione fisica da fase vapore (PVD) e altri metodi, e successivamente impiega metodi di deposizione chimica da fase vapore (CVD) e altri metodi per la crescita di materiali epitassiali. La fase intermedia (midstream) utilizza i materiali della fase a monte per realizzare dispositivi a radiofrequenza, dispositivi di potenza e altri dispositivi, che vengono infine utilizzati nelle applicazioni a valle, come le comunicazioni 5G, i veicoli elettrici, il trasporto ferroviario, ecc. Tra queste fasi, il substrato e l'epitassia rappresentano il 60% dei costi della filiera e costituiscono la principale fonte di valore.
Substrato in SiC: i cristalli di SiC vengono generalmente prodotti utilizzando il metodo Lely. I prodotti di punta a livello internazionale stanno passando da 4 a 6 pollici, e sono stati sviluppati substrati conduttivi da 8 pollici. I substrati prodotti a livello nazionale sono principalmente da 4 pollici. Poiché le linee di produzione di wafer di silicio da 6 pollici esistenti possono essere aggiornate e convertite per produrre dispositivi in SiC, l'elevata quota di mercato dei substrati in SiC da 6 pollici si manterrà a lungo.
Il processo di produzione del substrato di carburo di silicio è complesso e di difficile realizzazione. Il substrato di carburo di silicio è un materiale semiconduttore monocristallino composto da due elementi: carbonio e silicio. Attualmente, l'industria utilizza principalmente polvere di carbonio ad alta purezza e polvere di silicio ad alta purezza come materie prime per sintetizzare la polvere di carburo di silicio. In un forno di crescita cristallina, si utilizza il collaudato metodo di trasferimento fisico in fase vapore (metodo PVT) per far crescere carburo di silicio di diverse dimensioni in un campo termico specifico. Il lingotto di cristallo viene infine lavorato, tagliato, levigato, lucidato, pulito e sottoposto ad altri processi per produrre un substrato di carburo di silicio.
Data di pubblicazione: 22 maggio 2024