Cerámica de carburo de silicio vs. semicondutores Carburo de silicio: o mesmo material con dous destinos distintos

1. Requisitos de pureza diverxentes para materias primas

 

O SiC de grao cerámico ten uns requisitos de pureza relativamente brandos para a súa materia prima en po. Normalmente, os produtos de grao comercial cunha pureza do 90 % ao 98 % poden satisfacer a maioría das necesidades das aplicacións, aínda que as cerámicas estruturais de alto rendemento poden requirir unha pureza do 98 % ao 99,5 % (por exemplo, o SiC unido por reacción require un contido controlado de silicio libre). Tolera certas impurezas e ás veces incorpora intencionadamente axudas de sinterización como o óxido de aluminio (Al₂O₃) ou o óxido de itrio (Y₂O₃) para mellorar o rendemento da sinterización, reducir as temperaturas de sinterización e mellorar a densidade do produto final.

 

O SiC de grao semicondutor require niveis de pureza case perfectos. O SiC monocristal de grao substrato require unha pureza ≥99,9999 % (6 N), e algunhas aplicacións de gama alta precisan unha pureza de 7 N (99,99999 %). As capas epitaxiais deben manter concentracións de impurezas por debaixo de 10¹⁶ átomos/cm³ (evitando especialmente impurezas de nivel profundo como B, Al e V). Mesmo as trazas de impurezas como o ferro (Fe), o aluminio (Al) ou o boro (B) poden afectar gravemente as propiedades eléctricas ao causar dispersión do portador, reducir a intensidade do campo de ruptura e, en última instancia, comprometer o rendemento e a fiabilidade do dispositivo, o que require un control estrito das impurezas.

 

material semicondutor de carburo de silicio

 

2. Estruturas cristalinas distintas e calidade

 

O SiC de grao cerámico existe principalmente como po policristalino ou corpos sinterizados compostos por numerosos microcristais de SiC orientados aleatoriamente. O material pode conter varios politipos (por exemplo, α-SiC, β-SiC) sen un control estrito sobre os politipos específicos, con énfase na densidade e uniformidade xerais do material. A súa estrutura interna presenta abundantes límites de gran e poros microscópicos, e pode conter axentes de sinterización (por exemplo, Al₂O₃, Y₂O₃).

 

O SiC de grao semicondutor debe ser substrato monocristalino ou capas epitaxiais con estruturas cristalinas altamente ordenadas. Require politipos específicos obtidos mediante técnicas de crecemento cristalino de precisión (por exemplo, 4H-SiC, 6H-SiC). As propiedades eléctricas como a mobilidade dos electróns e o intervalo de banda son extremadamente sensibles á selección de politipos, o que require un control estrito. Actualmente, o 4H-SiC domina o mercado debido ás súas propiedades eléctricas superiores, incluíndo unha alta mobilidade de portadores e unha intensidade de campo de ruptura, o que o fai ideal para dispositivos de potencia.

 

3. Comparación da complexidade do proceso

 

O SiC de grao cerámico emprega procesos de fabricación relativamente sinxelos (preparación de po → conformado → sinterización), análogos á "fabricación de ladrillos". O proceso implica:

 

• Mestura de po de SiC de calidade comercial (normalmente de tamaño micrónico) con aglutinantes
• Formación mediante prensado
• Sinterización a alta temperatura (1600-2200 °C) para lograr a densificación mediante a difusión de partículas
  A maioría das aplicacións pódense satisfacer cunha densidade >90 %. O proceso completo non require un control preciso do crecemento cristalino, senón que se centra na consistencia da formación e a sinterización. As vantaxes inclúen a flexibilidade do proceso para formas complexas, aínda que con requisitos de pureza relativamente menores.

 

O SiC de grao semicondutor implica procesos moito máis complexos (preparación de po de alta pureza → crecemento de substrato monocristalino → deposición epitaxial de obleas → fabricación de dispositivos). Os pasos clave inclúen:

 

• Preparación do substrato principalmente mediante o método de transporte físico de vapor (PVT)
• Sublimación de po de SiC en condicións extremas (2200-2400 °C, alto baleiro)
• Control preciso dos gradientes de temperatura (±1 °C) e dos parámetros de presión
• Crecemento de capas epitaxiales mediante deposición química de vapor (CVD) para crear capas dopadas uniformemente grosas (normalmente de varias a decenas de micras)
  Todo o proceso require contornas ultralimpas (por exemplo, salas limpas de clase 10) para evitar a contaminación. As características inclúen unha precisión extrema do proceso, que require control sobre os campos térmicos e os caudais de gas, con requisitos rigorosos tanto para a pureza da materia prima (>99,9999 %) como para a sofisticación dos equipos.

 

4. Diferenzas significativas de custos e orientacións de mercado

 

Características do SiC de calidade cerámica:

• Materia prima: Po de calidade comercial
• Procesos relativamente sinxelos
• Baixo custo: miles ou decenas de miles de RMB por tonelada
• Aplicacións amplas: abrasivos, refractarios e outras industrias sensibles aos custos

 

Características do SiC de grao semicondutor:

• Ciclos longos de crecemento do substrato
• Control de defectos desafiante
• Taxas de rendemento baixas
• Custo elevado: miles de dólares por substrato de 6 polgadas
• Mercados específicos: electrónica de alto rendemento como dispositivos de potencia e compoñentes de radiofrecuencia
  Co rápido desenvolvemento dos vehículos de novas enerxías e das comunicacións 5G, a demanda do mercado está a medrar exponencialmente.

 

5. Escenarios de aplicación diferenciados

 

O SiC de calidade cerámica serve como o "cabalo de batalla industrial" principalmente para aplicacións estruturais. Aproveitando as súas excelentes propiedades mecánicas (alta dureza, resistencia ao desgaste) e térmicas (resistencia a altas temperaturas, resistencia á oxidación), destaca en:

 

• Abrasivos (rodas de amolar, papel de lixa)
• Refractarios (revestimentos de fornos de alta temperatura)
• Compoñentes resistentes ao desgaste/corrosión (corpos de bombas, revestimentos de tubaxes)

 

Compoñentes estruturais cerámicos de carburo de silicio

 

O SiC de grao semicondutor funciona como a "elite electrónica", utilizando as súas propiedades semicondutoras de banda prohibida ampla para demostrar vantaxes únicas nos dispositivos electrónicos:

 

• Dispositivos de enerxía: inversores para vehículos eléctricos, convertidores de rede (mellora da eficiencia da conversión de enerxía)
• Dispositivos de radiofrecuencia: estacións base 5G, sistemas de radar (que permiten frecuencias de funcionamento máis altas)
• Optoelectrónica: material de substrato para LEDs azuis

 

Oblea epitaxial de SiC de 200 milímetros

 

Dimensión	SiC de grao cerámico	SiC de grao semicondutor
Estrutura cristalina	Policristalino, múltiples politipos	Monocristal, politipos estritamente seleccionados
Enfoque no proceso	Densificación e control da forma	Control da calidade cristalina e das propiedades eléctricas
Prioridade de rendemento	Resistencia mecánica, resistencia á corrosión, estabilidade térmica	Propiedades eléctricas (bandgap, campo de ruptura, etc.)
Escenarios de aplicación	Compoñentes estruturais, pezas resistentes ao desgaste, compoñentes para altas temperaturas	Dispositivos de alta potencia, dispositivos de alta frecuencia, dispositivos optoelectrónicos
Indutores de custos	Flexibilidade do proceso, custo da materia prima	taxa de crecemento cristalino, precisión do equipo, pureza da materia prima

 

En resumo, a diferenza fundamental provén dos seus distintos propósitos funcionais: o SiC de grao cerámico utiliza a "forma (estrutura)", mentres que o SiC de grao semicondutor utiliza "propiedades (eléctricas)". O primeiro busca un rendemento mecánico/térmico rendible, mentres que o segundo representa o cumio da tecnoloxía de preparación de materiais como material funcional monocristalino de alta pureza. Aínda que comparten a mesma orixe química, o SiC de grao cerámico e o de grao semicondutor presentan claras diferenzas en canto á pureza, a estrutura cristalina e os procesos de fabricación; con todo, ambos contribúen significativamente á produción industrial e ao avance tecnolóxico nos seus respectivos dominios.