Substrato in carburo di silicio

Il carburo di silicio è un materiale innovativo che presenta numerosi vantaggi rispetto al silicio, in particolare una tensione di ripartizione più elevata e una resistenza ON più bassa che consentono di realizzare sistemi elettronici di potenza più efficienti.

La produzione di substrati di carburo di silicio richiede attrezzature speciali e tempi lunghi. La prima fase prevede la creazione di un cristallo di grandi dimensioni, chiamato boule, che viene poi tagliato in wafer per la successiva lavorazione.

È un buon conduttore di calore

I substrati di carburo di silicio (SiC) sono diventati un elemento essenziale dell'elettronica di potenza grazie alle loro proprietà superiori. Con un'efficienza più elevata e una conducibilità termica superiore rispetto ai substrati di silicio, i substrati di SiC sono adatti ad applicazioni ad alta intensità di potenza, come i veicoli elettrici e i sistemi di energia rinnovabile che richiedono tensioni elevate.

Il SiC è un materiale semiconduttore altamente denso con un ampio bandgap che consente agli elettroni di muoversi rapidamente attraverso di esso, dandogli un vantaggio rispetto al silicio che ha un bandgap più stretto. Inoltre, questo gap più ampio facilita il trasferimento degli elettroni tra gli strati, migliorando le prestazioni complessive del dispositivo.

Il carburo di silicio possiede eccellenti proprietà elettriche e termiche, oltre a possedere una resistenza meccanica molto elevata. Ciò lo rende un'ottima scelta per materiali e utensili da taglio resistenti all'usura; inoltre, la sua resistenza alle temperature estremamente elevate lo rende utile come materiale di rivestimento dei forni industriali e la sua estrema durezza lo rende adatto alla produzione di componenti per pompe e motori a razzo che resistono all'usura.

Il carburo di silicio è un composto estremamente duro di silicio e carbonio prodotto sinteticamente. Sebbene esistano esempi naturali come la moissanite, la maggior parte è prodotta sinteticamente attraverso la reazione di Acheson, in cui la sabbia di silice e il carbonio vengono riscaldati ad alte temperature fino a formare una boule esagonale, che viene successivamente tagliata in wafer da utilizzare come substrato.

Il carburo di silicio si distingue dal silicio per la sua minore resistenza on-state e il suo bandgap più ampio, che lo rendono un materiale eccellente per le applicazioni ad alta potenza. Ciò consente di ridurre le dimensioni dei dispositivi, migliorando al contempo le prestazioni; inoltre, la bassa resistenza all'accensione li rende adatti ai sistemi fotovoltaici e alle applicazioni di microelettronica.

I substrati di carburo di silicio sono ampiamente utilizzati come materiale resistente all'abrasione, compresi i condensatori e gli isolatori ceramici. Inoltre, la loro durezza li rende utili sotto forma di mole e carta vetrata con una ridotta resistenza all'usura. Inoltre, i substrati di carburo di silicio sono un materiale essenziale utilizzato nella stampa al carborundum - una tecnica calcografica in cui la graniglia di carborundum viene spalmata su lastre di alluminio per creare segni stampati - una forma d'arte sempre più popolare.

È un buon conduttore di elettricità

Il carburo di silicio è un eccellente conduttore di elettricità e può essere utilizzato in numerose applicazioni elettroniche. Con basse correnti di dispersione e resistenze di stato, entrambi parametri essenziali nelle applicazioni ad alta frequenza. Inoltre, il carburo di silicio vanta una conducibilità termica tre volte superiore rispetto alla sua controparte in silicio ed è resistente ai danni delle radiazioni.

L'elevata tensione nominale del carburo di silicio lo rende un materiale eccellente per i dispositivi di commutazione ad alta velocità utilizzati negli azionamenti dei motori elettrici e nei sistemi di elettronica di potenza. Questi dispositivi sono in grado di tollerare temperature e tensioni estreme senza compromettere le prestazioni e sono più piccoli e leggeri delle loro controparti in silicio. Inoltre, i dispositivi in carburo di silicio commutano dieci volte più velocemente, aumentando l'efficienza e consentendo ai progettisti di ridurre i sistemi.

La struttura atomica unica del carburo di silicio contribuisce alle sue proprietà di semiconduttore. Cristallizza in strutture ravvicinate caratterizzate da atomi legati in modo covalente e disposti in due tetraedri di coordinazione primaria con quattro atomi di carbonio e quattro di silicio che si legano agli angoli formando legami covalenti tra gli atomi di carbonio e di silicio; questi tetraedri possono poi essere collegati attraverso i loro angoli per formare strutture politipiche: Il 3C-SiC è il suo politipo di cella cubica, mentre il 6H-SiC o il 15R-SiC sono altri esempi di materiali semiconduttori che si trovano all'interno dei materiali semiconduttori.

Il SiC è tipicamente un materiale isolante nella sua forma pura, ma può mostrare semiconduttività quando viene drogato con impurità attraverso la drogazione, un processo a livello atomico che si verifica dopo il drogaggio con impurità. Il SiC è classificato come materiale semiconduttore con un band gap di 1,5eV e un'affinità elettronica intrinseca di circa 0,1mJ/cm, che lo rende uno dei band gap più bassi tra i materiali semiconduttori esistenti.

Il carburo di silicio, a differenza del silicio, è un materiale non metallico insolubile in acqua e alcol. Grazie alla sua durezza, alla durata, alla resistenza alla corrosione, all'elevato punto di fusione e alla durezza, il carburo di silicio è molto versatile per i macchinari industriali, come i cuscinetti delle pompe e le valvole, e per l'uso in processi di levigatura, rettifica, taglio a getto d'acqua e lapidario. Grazie a queste caratteristiche, ha guadagnato grande popolarità anche come materiale lapidario economico.

Le proprietà del carburo di silicio lo rendono un materiale ideale per i sistemi di ricarica rapida dei veicoli elettrici (EV). Secondo una ricerca di Goldman Sachs, l'utilizzo del SiC nei sistemi di inverter potrebbe aumentare l'autonomia dei veicoli elettrici di 30% e ridurre i costi di stoccaggio delle batterie di 20% rispetto all'utilizzo delle sole batterie al litio. Inoltre, Goldman Sachs prevede che potrebbe contribuire a semplificare il design dei veicoli elettrici, rendendoli più leggeri e più efficienti dal punto di vista energetico.

È un buon conduttore di suono

Il substrato di carburo di silicio è un materiale semiconduttore non ossidato con molte caratteristiche desiderabili. È in grado di condurre efficacemente sia il calore che l'elettricità, ha un'eccellente durata e proprietà di resistenza alla corrosione che lo rendono adatto a molte applicazioni diverse. La sua natura durevole e la sua versatilità rendono il substrato di carburo di silicio un materiale eccellente da utilizzare per molti scopi diversi.

Il carburo di silicio è un efficace conduttore del suono, il che lo rende perfetto per le applicazioni aerospaziali. Purtroppo, però, la sua natura fragile e l'elevata durezza ne rendono più difficile la lavorazione; per superare queste difficoltà, le aziende stanno sviluppando nuovi metodi di lavorazione che consentono di produrre carburo di silicio a costi contenuti.

Uno di questi metodi è l'incisione assistita da plasma, che utilizza plasma ad alta energia per rimuovere i contaminanti dalle superfici dei substrati di carburo di silicio. Questa tecnica ha il potenziale per migliorare le prestazioni dei dispositivi a semiconduttore, pur rimanendo rispettosa dell'ambiente; inoltre, questo processo ha la capacità di aumentare la resistenza alla rottura critica e la temperatura operativa del carburo di silicio, in modo da competere meglio con i semiconduttori di silicio.

Un altro modo per migliorare le prestazioni del carburo di silicio è la crescita epitassiale. Questa tecnica si basa sul fatto che il carburo di silicio contiene diversi strati di atomi con proprietà elettriche proprie; non solo questo processo aumenterà le prestazioni del dispositivo, ma potrebbe anche ridurre i costi eliminando i costosi substrati di zaffiro o wafer dai costi di produzione.

I substrati di carburo di silicio sono spesso impiegati nei sistemi di trasporto dei veicoli elettrici grazie alla loro capacità di resistere a temperature e tensioni più elevate rispetto ai dispositivi a base di silicio, e al fatto che sono leggeri e ad alta densità di energia, il che li rende ideali per i sistemi di propulsione dei veicoli elettrici. Inoltre, il ridotto rischio di danni da radiazioni del carburo di silicio lo rende ideale per l'uso come materiale eVTOL e possiede proprietà meccaniche superiori rispetto al rivale carburo di boro.

I MOSFET al carburo di silicio offrono un'efficienza di potenza superiore e un coefficiente di espansione termica inferiore, che li rende perfetti per contenere più transistor in un unico chip. Grazie a questa proprietà, i MOSFET in carburo di silicio sono la scelta ideale per i telefoni cellulari e i computer portatili, essendo più compatti e con perdite di commutazione inferiori rispetto ai MOSFET a base di silicio.

È un buon conduttore di luce

Il carburo di silicio (SiC) è un materiale estremamente duro dai molteplici usi. Grazie alla sua struttura atomica, il SiC è un eccellente conduttore di elettricità e luce, oltre che resistente alla corrosione e alle alte temperature. Per questo motivo è una scelta eccellente per l'uso come rivestimento refrattario nei forni industriali e per gli utensili da taglio, dalla fine del XIX secolo per l'uso come carta vetrata, mole e utensili da taglio - in ambienti difficili è un'ottima scelta di materiale per i cuscinetti delle pompe, per i componenti dell'alloggiamento delle pompe e per le matrici di estrusione e gli iniettori!

La struttura atomica unica del carburo di silicio gli consente di essere drogato con varie impurità, producendo semiconduttori di tipo p o di tipo n a seconda del drogante introdotto. L'alluminio crea semiconduttori di tipo p, mentre il gallio crea semiconduttori di tipo n; inoltre può essere drogato con azoto e fosforo per ottenere la superconduttività, proprietà che rendono il carburo di silicio un materiale ideale per le applicazioni dei semiconduttori di potenza.

I semiconduttori in carburo di silicio vantano un'eccellente conduttività elettrica e bassi costi di produzione rispetto ad altre forme di semiconduttori, rendendo il carburo di silicio un'alternativa economica per i dispositivi elettronici ad alta potenza come tiristori, diodi di potenza e transistor. Inoltre, l'ampio bandgap consente una produzione più semplice a temperature più basse, rendendoli perfetti per l'uso ad alta temperatura, ad esempio per resistere alle alte temperature in applicazioni elettroniche come i tiristori, i diodi di potenza e i transistor per l'elettronica ad alta frequenza.

Il carburo di silicio trova uno dei suoi principali impieghi: come substrato per i diodi a emissione luminosa (LED). Grazie alla sua forte tenacità alla frattura e alla resistenza all'usura e alla corrosione, il carburo di silicio è una scelta fantastica per applicazioni ad alta potenza come i LED e i fotorivelatori UV, mentre la sua bassa caduta di tensione in avanti e il suo rapido recupero gli consentono di funzionare anche a temperature elevate.

I diodi Schottky al carburo di silicio possono essere utilizzati come strati antiriflesso in sorgenti luminose, laser e tiristori. Inoltre, sono adatti per le applicazioni che richiedono un'elevata tensione di breakdown, in quanto vantano prezzi inferiori rispetto ai semiconduttori a base di silicio e forniscono prestazioni circuitali più rapide rispetto alle loro controparti a base di silicio.

La moissanite si trova in natura nei meteoriti e nei depositi di corindone; tuttavia, quasi tutto il carburo di silicio venduto oggi è sintetico. Composto da atomi di silicio e carbonio, con un grado di durezza Mohs estremamente elevato (9), questo composto può essere trasformato in wafer da 15 cm per essere commercializzato.