O SiC possui excelentes propriedades como material semicondutor, especialmente para componentes de potência utilizados na conversão e controle de energia.Em comparação com os dispositivos de silício tradicionais, o SiC (carboneto de silício) apresenta baixa resistência de condução, comutação de alta velocidade e operação em altas temperaturas e tensões, sendo, portanto, muito popular em fontes de alimentação, automóveis, ferrovias, equipamentos industriais e eletrodomésticos. Embora o SiC possa finalmente ser fabricado por síntese artificial, a produção em massa de componentes de potência em SiC já representou um grande desafio para os pesquisadores devido à extrema complexidade do processo.

※ O que é carboneto de silício (SiC)?

O carboneto de silício é um material semicondutor composto por elementos de carbono e silício.O carbeto de silício (SiC), o nitreto de gálio (GaN), o nitreto de alumínio (ALN), o óxido de gálio (Ga2O3), etc., são coletivamente chamados de materiais semicondutores de banda proibida larga, pois a largura da banda proibida é maior que 2.2 eV. Na China, também são chamados de materiais semicondutores de terceira geração.

Do ponto de vista dos materiais, a indústria de semicondutores se divide em:

Materiais semicondutores elementares de primeira geração: como silício (Si) e germânio (Ge);

Materiais semicondutores compostos de segunda geração: como arseneto de gálio (GaAs), fosfeto de índio (InP), etc.;

A terceira geração de materiais de banda proibida larga: como o carbeto de silício (SiC), o nitreto de gálio (GaN), o nitreto de alumínio (ALN), o óxido de gálio (Ga2O3), etc.

Dentre eles, o carbeto de silício e o nitreto de gálio são os materiais semicondutores com as perspectivas comerciais mais promissoras atualmente, podendo ser considerados a nova geração de "fábricas de ouro" na indústria de semicondutores.

A primeira vez que o carbeto de silício foi descoberto na história foi em 1891. O americano Acheson descobriu um composto de carbono durante a eletrólise de diamante. Essa foi a primeira síntese e descoberta do carbeto de silício. Após cem anos de exploração, especialmente com a chegada do século XXI, a humanidade finalmente compreendeu as vantagens e características do carbeto de silício e utilizou essas propriedades para fabricar diversos novos dispositivos. A indústria do carbeto de silício se desenvolveu rapidamente.

Em comparação com os materiais de silício tradicionais, a banda proibida do carbeto de silício é 3 vezes maior que a do silício; a condutividade térmica é 4 a 5 vezes maior que a do silício; a tensão de ruptura é 8 vezes maior que a do silício; e a taxa de deriva de saturação de elétrons é 2 vezes maior que a do silício.Diversas características fazem com que o carboneto de silício seja particularmente adequado para a fabricação de dispositivos de alta frequência e alta potência, capazes de suportar altas temperaturas, altas tensões e altas correntes.

Atualmente, existem cerca de 200 formas de estrutura cristalina conhecidas para o carbeto de silício, incluindo a estrutura cristalina cúbica compacta da esfalerita α (2H, 4H, 6H, 15R) e a estrutura cristalina hexagonal compacta da wurtzita β (3C-SiC).

Dentre elas, a estrutura cristalina β (3C-SiC) pode ser usada para fabricar dispositivos de alta frequência e substratos para outros materiais de filme fino, como o crescimento de camadas epitaxiais de nitreto de gálio e a fabricação de dispositivos de radiofrequência de micro-ondas de nitreto de gálio à base de carbeto de silício. A forma cristalina α (4H) pode ser usada para fabricar dispositivos de alta potência; a 6H é a mais estável e pode ser usada para fabricar dispositivos optoeletrônicos.

※ Vantagens de desempenho do carboneto de silício

Se considerarmos apenas os chips de carbeto de silício, em termos de semicondutores de potência, o carbeto de silício apresenta vantagens incomparáveis ​​em relação aos chips de potência tradicionais baseados em silício: o carbeto de silício suporta correntes e tensões maiores, possui maior velocidade de comutação, menor perda de energia e é mais resistente a altas temperaturas. Portanto, os módulos de potência feitos de carbeto de silício podem reduzir significativamente os componentes de capacitores, indutores, bobinas e componentes de dissipação de calor, tornando todo o módulo de dispositivo de potência mais leve, econômico e com maior potência de saída. Isso também aumenta a confiabilidade. As vantagens são muito evidentes. O resumo específico é o seguinte:

1. Menor impedância permite um design de produto menor e maior eficiência;

2. Adequado para frequências mais altas e velocidades de comutação mais rápidas;

3. Excelentes características de alta temperatura, capaz de operar em temperaturas mais elevadas.

※ Por que o carboneto de silício é tão caro?

Todos sabem que o carboneto de silício tem enormes perspectivas de negócios no futuro, mas todos que entram nesse setor se deparam com o primeiro e mais prático problema: o que fazer com o material?

Pelo menos metade da razão para o ambiente de negócios extremamente maduro das indústrias tradicionais baseadas em silício reside no fato de que os materiais de silício são relativamente fáceis de obter.A tecnologia de preparação de materiais de silício, já consolidada e eficiente, torna esses materiais muito baratos atualmente. Atualmente, uma pastilha de silício polida de 6 polegadas custa apenas 150 yuans, uma de 8 polegadas custa 300 yuans e uma de 12 polegadas custa cerca de 850 yuans.

Somente quando as matérias-primas forem suficientemente baratas é que a escala da indústria poderá ser expandida!

Atualmente, utilizando o método Czochralski, uma barra monocristalina de silício de cerca de 2 a 3 metros pode ser cultivada em 72 horas, e uma única barra monocristalina pode cortar milhares de wafers de silício de uma só vez.

Você sabe qual a espessura que um monocristal de carbeto de silício pode atingir em 72 horas? Menos de alguns centímetros!

Atualmente, o método mais rápido de crescimento de monocristais de carbeto de silício tem uma taxa de crescimento de cerca de 0.1 mm/h a 0.2 mm/h, portanto, a espessura do cristal é de apenas 7.2 mm a 14.4 mm em 72 horas.

Então você pode imaginar o quão caro pode ser produzir wafers individuais de carbeto de silício. Atualmente, o preço de substratos de carbeto de silício de 4 polegadas gira em torno de 2,000 a 3,000 yuans, e os substratos de 6 polegadas já atingiram o patamar de 6,000 a 8,000 yuans. Os wafers epitaxiais custam pelo menos o dobro disso, e mesmo assim, os preços ainda estão altos e os estoques estão esgotados.

Como líder mundial na produção de carboneto de silício, a Cree, dos Estados Unidos, detém praticamente o monopólio de mais de 70% da capacidade produtiva. Por isso, fabricantes nacionais e estrangeiros da indústria de transformação têm firmado contratos de longo prazo com a Cree para garantir sua capacidade de produção.

※ Mercado de carboneto de silício

Os MOSFETs e diodos de carbeto de silício são usados ​​em aplicações solares, UPS, industriais, automotivas e outras:O SiC concentra-se principalmente em inversores para armazenamento de energia fotovoltaica, fontes de alimentação ininterrupta (UPS) para servidores de data centers, estações de carregamento para redes inteligentes e outras áreas que exigem alta eficiência de conversão. No entanto, com o desenvolvimento de veículos elétricos e híbridos (xEV) nos últimos anos, o SiC também emergiu rapidamente nesse novo campo. Os setores que se beneficiam incluem energia (fotovoltaica, carregamento de veículos elétricos, redes inteligentes, etc.), automóveis (computadores de bordo, inversores), infraestrutura (servidores), etc.

Em resumo, podemos prever que, num futuro próximo, o carboneto de silício terá um impacto revolucionário na indústria da eletrônica de potência!

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