A primeira geração de materiais semicondutores é representada pelo silício (Si) e germânio (Ge) tradicionais, que são a base para a fabricação de circuitos integrados. Eles são amplamente utilizados em transistores e detectores de baixa tensão, baixa frequência e baixo consumo de energia. Mais de 90% dos produtos semicondutores são feitos de materiais à base de silício;
Os materiais semicondutores de segunda geração são representados pelo arseneto de gálio (GaAs), fosfeto de índio (InP) e fosfeto de gálio (GaP). Comparados aos dispositivos baseados em silício, eles possuem propriedades optoeletrônicas de alta frequência e alta velocidade, sendo amplamente utilizados nos campos da optoeletrônica e da microeletrônica.
A terceira geração de materiais semicondutores é representada por materiais emergentes como o carbeto de silício (SiC), o nitreto de gálio (GaN), o óxido de zinco (ZnO), o diamante (C) e o nitreto de alumínio (AlN).
carboneto de silícioO carbeto de silício é um importante material básico para o desenvolvimento da indústria de semicondutores de terceira geração. Os dispositivos de potência de carbeto de silício atendem eficazmente aos requisitos de alta eficiência, miniaturização e leveza dos sistemas eletrônicos de potência, graças às suas excelentes propriedades de resistência a alta tensão, resistência a altas temperaturas e baixas perdas.
Devido às suas propriedades físicas superiores — como a alta largura da banda proibida (correspondente a um alto campo elétrico de ruptura e alta densidade de potência), alta condutividade elétrica e alta condutividade térmica — espera-se que se torne o material básico mais utilizado na fabricação de chips semicondutores no futuro. Apresenta vantagens evidentes, principalmente em áreas como veículos de novas energias, geração de energia fotovoltaica, transporte ferroviário, redes inteligentes e outras.
O processo de produção de SiC é dividido em três etapas principais: crescimento de monocristais de SiC, crescimento de camadas epitaxiais e fabricação de dispositivos, que correspondem aos quatro principais elos da cadeia industrial:substrato, epitaxia, dispositivos e módulos.
O método convencional de fabricação de substratos utiliza inicialmente a sublimação física de vapor para sublimar o pó em um ambiente de vácuo de alta temperatura e, em seguida, cultivar cristais de carbeto de silício na superfície do cristal semente através do controle de um campo de temperatura. Utilizando uma lâmina de carbeto de silício como substrato, a deposição química de vapor é empregada para depositar uma camada monocristalina sobre a lâmina, formando um substrato epitaxial. Dentre as aplicações, o crescimento de uma camada epitaxial de carbeto de silício sobre um substrato condutor de carbeto de silício permite a fabricação de dispositivos de potência, utilizados principalmente em veículos elétricos, células fotovoltaicas e outras áreas; já o crescimento de uma camada epitaxial de nitreto de gálio sobre um substrato semi-isolante permite a fabricação de dispositivos de potência, principalmente utilizados em veículos elétricos, células fotovoltaicas e outros campos; já o crescimento de uma camada epitaxial de nitreto de gálio sobre um substrato semi-isolante permite a fabricação de dispositivos de potência.substrato de carbeto de silícioPodem ainda ser transformados em dispositivos de radiofrequência, utilizados em comunicações 5G e outros campos.
Por enquanto, os substratos de carbeto de silício apresentam as maiores barreiras técnicas na cadeia produtiva do carbeto de silício, sendo também os mais difíceis de produzir.
O gargalo na produção de SiC ainda não foi completamente resolvido, e a qualidade dos pilares de cristal da matéria-prima é instável, além de haver problemas de rendimento, o que resulta no alto custo dos dispositivos de SiC. Enquanto o silício leva em média apenas 3 dias para crescer até se transformar em uma haste de cristal, uma haste de carbeto de silício leva uma semana. Uma haste de cristal de silício comum pode atingir 200 cm de comprimento, mas uma haste de carbeto de silício atinge apenas 2 cm. Além disso, o próprio SiC é um material duro e quebradiço, e os wafers fabricados com ele são propensos a lascar nas bordas quando cortados mecanicamente, o que afeta o rendimento e a confiabilidade do produto. Os substratos de SiC são muito diferentes dos lingotes de silício tradicionais, e tudo, desde equipamentos e processos até o corte, precisa ser desenvolvido para lidar com o carbeto de silício.
A cadeia produtiva do carbeto de silício é dividida principalmente em quatro elos principais: substrato, epitaxia, dispositivos e aplicações. Os materiais de substrato são a base da cadeia produtiva, os materiais epitaxiais são essenciais para a fabricação de dispositivos, os dispositivos são o núcleo da cadeia produtiva e as aplicações são a força motriz para o desenvolvimento industrial. A indústria upstream utiliza matérias-primas para produzir materiais de substrato por meio de métodos como sublimação física de vapor e outros, e então utiliza métodos como deposição química de vapor e outros para o crescimento de materiais epitaxiais. A indústria midstream utiliza os materiais upstream para fabricar dispositivos de radiofrequência, dispositivos de potência e outros dispositivos, que são finalmente utilizados em comunicações 5G, veículos elétricos, transporte ferroviário, etc. Dentre esses elos, o substrato e a epitaxia representam 60% do custo da cadeia produtiva e são os principais componentes de valor agregado.
Substrato de SiC: Os cristais de SiC são geralmente fabricados pelo método Lely. Os principais produtos internacionais estão migrando de 4 polegadas para 6 polegadas, e produtos com substratos condutores de 8 polegadas já foram desenvolvidos. Os substratos nacionais são principalmente de 4 polegadas. Como as linhas de produção de wafers de silício de 6 polegadas existentes podem ser modernizadas e adaptadas para produzir dispositivos de SiC, a alta participação de mercado dos substratos de SiC de 6 polegadas deverá ser mantida por um longo período.
O processo de fabricação do substrato de carbeto de silício é complexo e de difícil execução. O substrato de carbeto de silício é um material semicondutor composto monocristalino formado por dois elementos: carbono e silício. Atualmente, a indústria utiliza principalmente pó de carbono e pó de silício de alta pureza como matérias-primas para a síntese do carbeto de silício. Sob condições específicas de temperatura, o método de deposição física de vapor (método PVT) é utilizado para o crescimento de partículas de carbeto de silício de diferentes tamanhos em um forno de crescimento de cristais. O lingote de cristal é então processado, cortado, retificado, polido, limpo e submetido a múltiplos processos para a produção do substrato de carbeto de silício.
Data da publicação: 22 de maio de 2024