Il SiC possiede eccellenti proprietà come materiale semiconduttore, soprattutto per i componenti di potenza utilizzati nella conversione e nel controllo dell'energia.Rispetto ai tradizionali dispositivi al silicio, il SiC può raggiungere una bassa resistenza di conduzione, una commutazione ad alta velocità e un funzionamento ad alta temperatura e alta tensione, pertanto è molto diffuso negli alimentatori, nelle automobili, nelle ferrovie, nelle apparecchiature industriali e negli elettrodomestici. Sebbene il SiC possa finalmente essere prodotto tramite sintesi artificiale, la produzione in serie di componenti di potenza in SiC ha rappresentato in passato un grattacapo per i ricercatori a causa della complessità estrema del processo.

※ Cos'è il carburo di silicio (SiC)?

Il carburo di silicio è un materiale semiconduttore composto da elementi di carbonio e silicio.Il carburo di silicio (SiC), il nitruro di gallio (GaN), il nitruro di alluminio (AlN), l'ossido di gallio (Ga2O3), ecc. sono collettivamente chiamati materiali semiconduttori a banda proibita ampia perché la larghezza della banda proibita è maggiore di 2.2 eV. In Cina sono anche chiamati materiali semiconduttori di terza generazione.

Dal punto di vista dei materiali, l'industria dei semiconduttori si suddivide in:

Materiali semiconduttori elementari di prima generazione: come il silicio (Si) e il germanio (Ge);

Materiali semiconduttori composti di seconda generazione: come l'arseniuro di gallio (GaAs), il fosfuro di indio (InP), ecc.;

La terza generazione di materiali a banda proibita ampia: come il carburo di silicio (SiC), il nitruro di gallio (GaN), il nitruro di alluminio (AlN), l'ossido di gallio (Ga2O3), ecc.

Tra questi, il carburo di silicio e il nitruro di gallio sono i materiali semiconduttori con le prospettive commerciali più promettenti al momento, e possono essere considerati la nuova "via d'oro" dell'industria dei semiconduttori.

La prima scoperta del carburo di silicio risale al 1891. L'americano Acheson, durante un processo di elettrolisi del diamante, individuò un composto di carbonio. Questa fu la prima sintesi e scoperta del carburo di silicio. Dopo un secolo di ricerche, e in particolare con l'avvento del XXI secolo, l'umanità ha finalmente compreso i vantaggi e le caratteristiche del carburo di silicio, utilizzandole per realizzare diversi nuovi dispositivi. L'industria del carburo di silicio si è sviluppata rapidamente.

Rispetto ai materiali tradizionali a base di silicio, il band gap del carburo di silicio è 3 volte superiore a quello del silicio; la conduttività termica è 4-5 volte superiore a quella del silicio; la tensione di rottura è 8 volte superiore a quella del silicio; e la velocità di deriva della saturazione degli elettroni è 2 volte superiore a quella del silicio.Diverse caratteristiche rendono il carburo di silicio particolarmente adatto alla produzione di dispositivi ad alta frequenza e alta potenza, in grado di resistere ad alte temperature, alte tensioni e correnti elevate.

Attualmente, sono note circa 200 forme di struttura cristallina del carburo di silicio, tra cui la struttura cristallina cubica compatta della sfalerite α (2H, 4H, 6H, 15R) e la struttura cristallina esagonale compatta della wurtzite β (3C-SiC).

Tra queste, la struttura cristallina β (3C-SiC) può essere utilizzata per la fabbricazione di dispositivi ad alta frequenza e substrati per altri materiali a film sottile, come la crescita di strati epitassiali di nitruro di gallio e la produzione di dispositivi a radiofrequenza a microonde a base di carburo di silicio e nitruro di gallio. La forma cristallina α 4H può essere utilizzata per realizzare dispositivi ad alta potenza; la 6H è la più stabile e può essere utilizzata per realizzare dispositivi optoelettronici.

※ Vantaggi prestazionali del carburo di silicio

Se consideriamo solo i chip in carburo di silicio, in termini di semiconduttori di potenza, il carburo di silicio presenta vantaggi incomparabili rispetto ai tradizionali chip di potenza a base di silicio: il carburo di silicio può sopportare correnti e tensioni maggiori, offre una velocità di commutazione più elevata, minori perdite di energia ed è più resistente alle alte temperature. Pertanto, i moduli di potenza realizzati in carburo di silicio possono ridurre di conseguenza il numero di condensatori, induttori, bobine e componenti di dissipazione del calore, rendendo l'intero modulo di potenza più leggero, efficiente dal punto di vista energetico e con una maggiore potenza di uscita. Ciò migliora anche l'affidabilità. I ​​vantaggi sono evidenti. Un riepilogo specifico è il seguente:

1. Una minore impedenza consente di realizzare prodotti di dimensioni più ridotte e con maggiore efficienza;

2. Adatto a frequenze più elevate e velocità di commutazione più rapide;

3. Eccellenti caratteristiche alle alte temperature, in grado di funzionare a temperature più elevate.

※ Perché il carburo di silicio è così costoso?

Tutti sanno che il carburo di silicio ha enormi prospettive commerciali per il futuro, ma chiunque entri in questo settore si troverà di fronte al primo e più pratico problema: cosa farne di questo materiale?

Almeno una delle ragioni per cui il contesto commerciale dei settori tradizionali basati sul silicio è estremamente maturo risiede nella relativa facilità di reperimento dei materiali a base di silicio.La tecnologia di preparazione dei materiali al silicio, matura ed efficiente, rende attualmente questi ultimi molto economici. Al momento, un wafer di silicio lucidato da 6 pollici costa solo 150 yuan, uno da 8 pollici costa 300 yuan e uno da 12 pollici costa circa 850 yuan.

Solo quando le materie prime saranno sufficientemente economiche sarà possibile espandere la scala del settore!

Attualmente, utilizzando il metodo Czochralski, è possibile far crescere una bacchetta di monocristallo di silicio lunga circa 2-3 metri in 72 ore, e da una singola bacchetta di monocristallo si possono tagliare migliaia di wafer di silicio contemporaneamente.

Sapete qual è lo spessore massimo di un monocristallo di carburo di silicio che può crescere in 72 ore? Meno di pochi centimetri!!!

Attualmente, il metodo più rapido per la crescita di monocristalli di carburo di silicio ha una velocità di crescita di circa 0.1 mm/h-0.2 mm/h, quindi lo spessore del cristallo è di soli 7.2 mm~14.4 mm in 72 ore.

Quindi potete immaginare quanto possano essere costosi i wafer singoli di carburo di silicio prodotti. Attualmente, il prezzo dei substrati di carburo di silicio da 4 pollici si aggira intorno ai 2,000-3,000 yuan, mentre quelli da 6 pollici hanno raggiunto i 6,000-8,000 yuan. I wafer epitassiali costano almeno quanto gli X2, e sono ancora difficili da reperire e non disponibili.

Cree, azienda statunitense leader mondiale nel settore del carburo di silicio, detiene quasi il monopolio, con oltre il 70% della capacità produttiva. Per questo motivo, i produttori a valle, sia nazionali che esteri, hanno stipulato contratti a lungo termine con Cree per garantirsi la capacità produttiva.

※ Mercato del carburo di silicio

I MOSFET e i diodi al carburo di silicio sono utilizzati in applicazioni solari, UPS, industriali, automobilistiche e di altro tipo:Il carburo di silicio (SiC) è principalmente impiegato negli inverter per l'accumulo di energia fotovoltaica, negli alimentatori UPS per server di data center, nelle stazioni di ricarica per reti intelligenti e in altri settori che richiedono un'elevata efficienza di conversione. Tuttavia, con lo sviluppo dei veicoli elettrici e ibridi (xEV) negli ultimi anni, il SiC si è rapidamente affermato anche in questo nuovo campo. I settori di applicazione includono l'energia (fotovoltaico, ricarica di veicoli elettrici, reti intelligenti, ecc.), l'industria automobilistica (OBC, inverter), le infrastrutture (server), ecc.

In sintesi, possiamo prevedere che nel prossimo futuro il carburo di silicio avrà un impatto rivoluzionario sull'industria dell'elettronica di potenza!

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