La prima generazione di materiali semiconduttori è rappresentata dai tradizionali silicio (Si) e germanio (Ge), 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 campi 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 silicioÈ un importante materiale di base per lo sviluppo dell'industria dei semiconduttori di terza generazione. I dispositivi di potenza in carburo di silicio possono soddisfare efficacemente i requisiti di elevata efficienza, miniaturizzazione e leggerezza dei sistemi elettronici di potenza grazie alla loro eccellente resistenza ad alta tensione, resistenza alle alte temperature, basse perdite e altre proprietà.
Grazie alle sue eccellenti proprietà fisiche: elevato gap di banda (corrispondente a un elevato campo elettrico di breakdown e a un'elevata densità di potenza), elevata conduttività elettrica e elevata conduttività termica, si prevede che diventerà il materiale di base più utilizzato per la produzione di chip semiconduttori in futuro. Presenta evidenti vantaggi, in particolare nei settori dei veicoli a nuova energia, della generazione di energia fotovoltaica, del trasporto ferroviario, delle reti intelligenti e in altri settori.
Il processo di produzione del SiC è suddiviso in tre fasi principali: crescita del monocristallo di SiC, crescita dello strato epitassiale e produzione del dispositivo, che corrispondono ai quattro collegamenti principali della catena industriale:substrato, epitassia, dispositivi e moduli.
Il metodo tradizionale di produzione dei substrati utilizza innanzitutto il metodo della sublimazione fisica da vapore per sublimare la polvere in un ambiente sotto vuoto ad alta temperatura e far crescere cristalli di carburo di silicio sulla superficie del cristallo di innesco attraverso il controllo di un campo di temperatura. Utilizzando un wafer di carburo di silicio come substrato, la deposizione chimica da vapore viene utilizzata per depositare uno strato di monocristallo sul wafer e 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 utilizzata per realizzare dispositivi di potenza, principalmente utilizzati nei veicoli elettrici, nel fotovoltaico e in altri settori; la crescita di uno strato epitassiale di nitruro di gallio su un substrato semiisolantesubstrato di carburo di siliciopossono essere ulteriormente trasformati in dispositivi a radiofrequenza, utilizzati nelle comunicazioni 5G e in altri campi.
Per ora, i substrati di carburo di silicio presentano le barriere tecniche più elevate nella filiera del carburo di silicio e sono i più difficili da produrre.
Il collo di bottiglia nella produzione del SiC non è stato ancora completamente risolto, e la qualità dei pilastri cristallini della materia prima è instabile, con un conseguente problema di resa, che porta all'elevato costo dei dispositivi in SiC. Ci vogliono in media solo 3 giorni perché il silicio si trasformi in una barretta di cristallo, mentre per una barretta di cristallo di carburo di silicio ci vuole una settimana. Una comune barretta di cristallo di silicio può raggiungere i 200 cm di lunghezza, mentre una barretta di cristallo di carburo di silicio può raggiungere solo i 2 cm. Inoltre, il SiC stesso è un materiale duro e fragile, e i wafer realizzati con esso sono soggetti a scheggiature sui bordi quando si utilizza il tradizionale 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, alla lavorazione fino al taglio, deve essere sviluppato per gestire il carburo di silicio.
La filiera del carburo di silicio è principalmente suddivisa in quattro anelli principali: substrato, epitassia, dispositivi e applicazioni. I materiali del substrato sono il fondamento della filiera, i materiali epitassiali sono la chiave per la produzione dei dispositivi, i dispositivi sono il cuore della filiera e le applicazioni sono la forza trainante per lo sviluppo industriale. L'industria upstream utilizza materie prime per produrre materiali del substrato attraverso metodi di sublimazione fisica da vapore e altri metodi, e quindi utilizza metodi di deposizione chimica da vapore e altri metodi per far crescere i materiali epitassiali. L'industria midstream utilizza materiali upstream per realizzare dispositivi a radiofrequenza, dispositivi di potenza e altri dispositivi, che vengono infine utilizzati nelle comunicazioni 5G a valle, nei veicoli elettrici, nel trasporto ferroviario, ecc. Tra questi, substrato ed epitassia rappresentano il 60% del costo della filiera e ne costituiscono il valore principale.
Substrato in SiC: i cristalli di SiC vengono solitamente prodotti utilizzando il metodo Lely. I prodotti di largo consumo a livello internazionale stanno passando da 4 pollici a 6 pollici e sono stati sviluppati prodotti con substrato conduttivo da 8 pollici. I substrati nazionali sono principalmente da 4 pollici. Poiché le attuali linee di produzione di wafer di silicio da 6 pollici possono essere aggiornate e trasformate per produrre dispositivi in SiC, l'elevata quota di mercato dei substrati in SiC da 6 pollici verrà mantenuta a lungo.
Il processo di produzione del substrato di carburo di silicio è complesso e difficile. Il substrato di carburo di silicio è un materiale monocristallino semiconduttore 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 campo di temperatura specifico, il metodo di trasmissione fisica del vapore (metodo PVT) viene utilizzato per far crescere il carburo di silicio di diverse dimensioni in un forno per la crescita dei cristalli. Il lingotto di cristallo viene infine lavorato, tagliato, macinato, lucidato, pulito e sottoposto ad altri molteplici processi per produrre un substrato di carburo di silicio.
Data di pubblicazione: 22 maggio 2024