Aislante de carburo de silicio

El carburo de silicio (SiC) es un compuesto cristalino de silicio y carbono utilizado desde el siglo XIX en aplicaciones tan variadas como papel de lija, muelas abrasivas, herramientas de corte e incluso revestimientos de hornos industriales. Además, el SiC también puede servir como pieza resistente al desgaste en bombas y motores de cohetes.

El SiC puede actuar tanto como aislante como semiconductor dependiendo de cómo se haya alterado la estructura cristalina añadiendo impurezas en su estructura cristalina; este proceso se conoce como dopaje.

Conductividad eléctrica

El carburo de silicio es un material cerámico con propiedades que lo convierten tanto en aislante eléctrico como en semiconductor, dependiendo de cómo se añadan sus impurezas o dopantes. La versatilidad del carburo de silicio lo convierte en una valiosa herramienta industrial que se utiliza en numerosos campos de aplicación.

Las aplicaciones que consumen mucha energía y deben funcionar a altas temperaturas, como las turbinas y los sistemas de calefacción, se benefician de su conductividad térmica superior. Además, su robustez física y dureza lo hacen adecuado para su uso en herramientas de corte como muelas abrasivas. Además, su amplia banda prohibida le permite manejar voltajes y frecuencias más elevados que los dispositivos tradicionales basados en el silicio.

Esta invención se refiere a materiales cerámicos de carburo de silicio sinterizado con una resistividad eléctrica extremadamente alta (hasta unos 108 ohm cm) que se han producido mediante procesos de sinterización y se han utilizado como sustratos para circuitos integrados.

Para lograr este objetivo, los inventores utilizaron un proceso de prensado en caliente para producir un cuerpo de carburo de silicio sinterizado con partículas submicrónicas de carburo de silicio en fase beta distribuidas uniformemente en una matriz no porosa de nitrógeno a temperaturas cercanas a los 2.000 grados Celsius para la producción de carburo de silicio sinterizado. El material resultante presentaba una alta resistividad eléctrica, así como un bajo coeficiente de expansión lineal similar al del silicio.

Los cuerpos de carburo de silicio sinterizado producidos mediante sinterización sin presión tienen resistividades eléctricas inferiores a las necesarias para sustratos de circuitos integrados y conductividades térmicas significativamente inferiores a las de sus homólogos, los materiales de SiC monocristalino.

Los inventores han descubierto que el carburo de silicio sinterizado que contiene cantidades significativas de boro tiene una resistividad eléctrica muy elevada. Para evaluar esta relación entre la concentración de portadores n y la constante dieléctrica específica es, llevaron a cabo varias muestras experimentales en las que se añadieron BeO y otros dopantes elementales de las familias Va y Vb con una valencia iónica de +5 a mezclas de partículas de polvo de carburo de silicio antes de sinterizarlas.

Conductividad térmica

El carburo de silicio (SiC) es uno de los materiales más duros que existen y presenta un módulo de Young extraordinariamente alto de más de 400 GPa, lo que le permite soportar presiones y temperaturas extremas. El SiC es también uno de los materiales cerámicos más ligeros y aislantes, capaz de resistir la corrosión, el desgaste por abrasión y erosión, así como el desgaste por fricción, al tiempo que posee una excelente conductividad térmica y propiedades de baja expansión térmica cuando se utiliza como material aislante eléctrico.

El carburo de silicio es un cristal de enlace covalente y su monocristal tiene una conductividad térmica relativamente grande, mientras que en estado sinterizado este número desciende debido a la dispersión de fonones en los límites de los granos de cristal, lo que crea capas de agotamiento de portadores dentro de cada grano de cristal a ambos lados de cada límite, inhibiendo así el flujo de calor.

La presente invención consiste en crear un aislante de carburo de silicio con propiedades mejoradas mediante la combinación de material semiconductor de tipo p con un cuerpo sinterizado de SiC. El aislante comprende carburo de silicio como su constituyente primario y un elemento que proporciona propiedades aislantes eléctricas (BN o Be), tales como el aumento de la concentración de portadores en 5×1017 cm-3 o menos a cada lado del límite de grano en su estado sinterizado, proporcionando altas propiedades de aislamiento eléctrico.

El dopaje del carburo de silicio con aluminio, boro o galio da lugar a la creación de materiales semiconductores de tipo p que poseen propiedades de semiconductividad. Los aislantes que contienen este carburo de silicio de tipo p presentan una baja resistividad eléctrica y una alta conductividad térmica para un efecto máximo.

La presente invención se refiere a un aislante que puede utilizarse para soportar elementos semiconductores, como una resistencia, un blanco de pulverización catódica o una resistencia de película fina. No sólo posee excelentes propiedades eléctricas y térmicas, sino que también ostenta un valor de constante dieléctrica extremadamente bajo. Además, su fabricación de cuello estrecho permite una alta densidad de corriente sin superar las limitaciones térmicas del material del sustrato.

Coeficiente de dilatación térmica

El carburo de silicio (SiC) es un material excepcional con magníficas propiedades térmicas. Con un bajo coeficiente de expansión térmica y resistencia al agrietamiento cuando se expone a altas temperaturas, el carburo de silicio puede disipar el calor con eficacia, una característica esencial cuando se utiliza en aplicaciones que requieren un alto rendimiento térmico. Además, el SiC posee una gran capacidad calorífica específica, por lo que puede absorber grandes cantidades de energía antes de iniciar su proceso de expansión.

La dilatación térmica del carburo de silicio depende de su temperatura y estructura cristalina, lo que puede afectar a su rendimiento y durabilidad. Para garantizar que los componentes de carburo de silicio puedan funcionar de forma fiable incluso en condiciones ambientales adversas, es vital que comprendamos su dependencia de la temperatura.

La composición también puede influir en la dilatación térmica del carburo de silicio; el óxido de berilio (BeO) ayuda a suprimir la dispersión de fonones en los límites de grano, lo que provoca una menor dilatación térmica en comparación con el silicio puro y da lugar a coeficientes de dilatación térmica (CTE) más bajos que cuando se trabaja bajo una gran tensión mecánica. Este factor es especialmente importante para los dispositivos semiconductores de alta potencia que experimentan fuertes tensiones mecánicas durante su funcionamiento.

Su resistencia a la corrosión y a la abrasión lo convierte en un excelente material de construcción, ideal para plantas químicas y molinos con temperaturas que alcanzan los 1.400 grados Celsius, así como su elevado módulo de Young de 400 GPa, que lo hace adecuado para hornos de altas presiones.

La moissanita natural sólo se encuentra en pequeñas cantidades en ciertos tipos de meteoritos y depósitos de corindón, pero la mayor parte de la que se vende como piedra preciosa o se utiliza para reforzar metales se produce sintéticamente mediante métodos como la deposición de vapor de carbono de silicio, la sinterización de fibras de polímero que contienen silicio o la cocción de revestimientos refractarios que contienen silicio.

Para mejorar su maquinabilidad y resistencia a la tracción, se ha creado recientemente una nueva formulación de SiC que contiene menos óxido de berilio que los productos tradicionales de SiC; es menos quebradizo, tiene un coeficiente de dilatación térmica menor, puede utilizarse en dispositivos de mayor potencia y su producción es menos costosa que la del carburo de silicio puro;

Constante dieléctrica

El carburo de silicio es uno de los materiales cerámicos más duros y ligeros. Presenta una excelente resistencia a la corrosión por ácidos y álcalis, una excelente conductividad térmica y bajos valores de coeficiente de dilatación térmica, cualidades que lo hacen adecuado para su uso en entornos de alta temperatura, como hornos de metales fundidos o la industria química. Además, su elevado módulo de Young (>400 GPa) ayuda a soportar esfuerzos de flexión que, de otro modo, destruirían otras cerámicas.

El silicio tiene un bandgap relativamente estrecho que limita las variaciones de temperatura y campo eléctrico, lo que proporciona la ventaja necesaria para las aplicaciones de electrónica de potencia. El silicio, el semiconductor más utilizado, está alcanzando sus límites por falta de anchura de banda y tensión de ruptura; por ello, el niobio ofrece otra posible opción que podría superar al silicio cuando se aplica a temperaturas y campos eléctricos más elevados.

Para maximizar todo el potencial del 4H-SiC, deben aplicarse dieléctricos de alto k a su superficie mediante cátodos de pulverización catódica de silano con el fin de disminuir la densidad del estado de interfaz en su interfaz con el carburo de silicio y los materiales dieléctricos y mejorar las propiedades eléctricas de los dispositivos.

Múltiples estudios se han centrado en el desarrollo de dieléctricos de alto k capaces de funcionar en la superficie del 4H-SiC. El HfO2 y el Y2O3 han demostrado su valor al mejorar el rendimiento eléctrico mediante el aumento del campo eléctrico de ruptura, pero su elevado estado de interfaz sigue siendo un obstáculo para su plena implantación en dispositivos.

Investigadores de Stanford han ideado un método para crear un aislante de carburo de silicio de alta calidad a escala de oblea mediante grabado fotoquímico y pulido mecánico químico, utilizando a continuación capas de dispositivo menos dopadas sobre una capa de sacrificio fuertemente dopada antes de utilizar el grabado fotoquímico y el pulido mecánico químico para eliminarla mediante grabado fotoquímico y pulido mecánico químico, exponiendo así el SiC y haciendo posibles aislantes de alta calidad adecuados para aplicaciones fotónicas cuánticas y no lineales.

A pesar de estos interesantes avances, aún es demasiado pronto para que los dieléctricos de alto k se implementen en dispositivos comerciales basados en 4H-SiC. Por lo tanto, habrá que explorar otros métodos para fabricar dispositivos semiconductores de aislante metálico sobre SiC hasta que se alcance este objetivo.