Isolante in carburo di silicio

Il carburo di silicio (SiC) è un composto cristallino di silicio e carbonio utilizzato fin dal XIX secolo in applicazioni diverse come carta vetrata, mole, utensili da taglio e persino rivestimenti di forni industriali. Inoltre, il SiC può essere utilizzato come componente resistente all'usura in pompe e motori a razzo.

Il SiC può agire sia come isolante che come semiconduttore, a seconda di come la struttura cristallina è stata alterata con l'aggiunta di impurità nella sua struttura cristallina; questo processo è noto come drogaggio.

Conducibilità elettrica

Il carburo di silicio è un materiale ceramico con proprietà che lo rendono sia un isolante elettrico che un semiconduttore, a seconda dell'aggiunta di impurità o droganti. La versatilità del carburo di silicio lo rende un prezioso strumento industriale utilizzato in molti campi di applicazione.

Le applicazioni ad alta intensità energetica che devono operare ad alte temperature, come turbine e sistemi di riscaldamento, beneficiano della sua superiore conducibilità termica. Inoltre, la sua robustezza fisica e la sua durezza lo rendono adatto all'uso in utensili da taglio come le mole. Inoltre, il suo ampio bandgap gli consente di gestire tensioni e frequenze più elevate rispetto ai dispositivi tradizionali a base di silicio.

La presente invenzione riguarda materiali ceramici in carburo di silicio sinterizzato con resistività elettrica estremamente elevata (fino a circa 108 ohm cm), prodotti con processi di sinterizzazione e utilizzati come substrati per circuiti integrati.

Per raggiungere questo obiettivo, gli inventori hanno utilizzato un processo di pressatura a caldo per produrre un corpo di carburo di silicio sinterizzato con particelle submicroniche di carburo di silicio in fase beta distribuite uniformemente in una matrice non porosa di azoto a temperature prossime ai 2.000deg C per la produzione di carburo di silicio sinterizzato. Il materiale risultante ha mostrato un'elevata resistività elettrica e un basso coefficiente di espansione lineare simile a quello del silicio.

I corpi di carburo di silicio sinterizzati, prodotti mediante sinterizzazione senza pressione, presentano resistività elettriche inferiori a quelle necessarie per i substrati dei circuiti integrati e conduttività termiche significativamente inferiori rispetto alle loro controparti, i materiali SiC a cristallo singolo.

Gli inventori hanno scoperto che il carburo di silicio sinterizzato contenente quantità significative di boro presenta una resistività elettrica molto elevata. Per valutare questa relazione tra la concentrazione di portatori n e la costante dielettrica specifica es, hanno condotto diversi campioni sperimentali in cui BeO e altri droganti elementari delle famiglie Va e Vb con valenza ionica +5 sono stati aggiunti a miscele di particelle di polvere di carburo di silicio prima della sinterizzazione.

Conduttività termica

Il carburo di silicio (SiC) è uno dei materiali più duri disponibili e presenta un modulo di Young straordinariamente elevato, superiore a 400 GPa, che gli consente di resistere a pressioni e temperature estreme. Il SiC è anche uno dei materiali ceramici più leggeri e isolanti; è in grado di resistere alla corrosione, all'usura da abrasione ed erosione e all'usura da attrito, oltre a possedere un'eccellente conducibilità termica e proprietà di bassa espansione termica quando viene utilizzato come materiale isolante elettrico.

Il carburo di silicio è un cristallo a legame covalente e il suo singolo cristallo ha una conducibilità termica relativamente elevata, mentre allo stato sinterizzato questo numero diminuisce a causa della diffusione dei fononi ai confini dei grani cristallini, creando strati di deplezione di portatori all'interno di ciascun grano cristallino su entrambi i lati di ciascun confine, inibendo così il flusso di calore.

La presente invenzione prevede la creazione di un isolante in carburo di silicio con proprietà migliorate, combinando un materiale semiconduttore di tipo p con un corpo sinterizzato di SiC. L'isolante comprende carburo di silicio come costituente primario e un elemento che fornisce proprietà di isolamento elettrico (BN o Be), come l'aumento della concentrazione di portatori di 5×1017 cm-3 o meno su entrambi i lati del confine di grano allo stato sinterizzato, fornendo elevate proprietà di isolamento elettrico.

Dopando il carburo di silicio con alluminio, boro o gallio si ottengono materiali semiconduttori di tipo p che possiedono proprietà di semiconduttività. Gli isolanti contenenti questo carburo di silicio di tipo p presentano una bassa resistività elettrica e un'elevata conducibilità termica per ottenere il massimo effetto.

La presente invenzione riguarda un isolante che può essere utilizzato per supportare elementi semiconduttori, come un resistore, un target di sputtering o un resistore a film sottile. Non solo possiede eccellenti proprietà elettriche e termiche, ma vanta anche un valore di costante dielettrica estremamente basso. Inoltre, la sua produzione a collo stretto consente un'elevata densità di corrente senza superare i limiti termici del materiale del substrato.

Coefficiente di espansione termica

Il carburo di silicio (SiC) è un materiale eccezionale con superbe proprietà termiche. Con un basso coefficiente di espansione termica e una resistenza alla fessurazione quando è esposto a temperature elevate, il SiC è in grado di dissipare efficacemente il calore - una caratteristica essenziale quando viene utilizzato in applicazioni che richiedono un'elevata efficienza termica. Inoltre, il SiC vanta una grande capacità termica specifica, che gli consente di assorbire grandi quantità di energia prima di iniziare il processo di espansione.

L'espansione termica del carburo di silicio dipende dalla temperatura e dalla struttura cristallina, il che può influire sulle sue prestazioni e sulla sua durata. Per garantire che i componenti in carburo di silicio possano funzionare in modo affidabile anche in condizioni ambientali avverse, è fondamentale comprendere la sua dipendenza dalla temperatura.

Anche la composizione può influire sull'espansione termica del carburo di silicio; l'ossido di berillio (BeO) aiuta a sopprimere la dispersione dei fononi ai confini dei grani, determinando una minore espansione termica rispetto al silicio puro e portando a coefficienti di espansione termica (CTE) più bassi rispetto a quelli che si verificano quando si opera in condizioni di forte stress meccanico. Questo fattore è particolarmente significativo per i dispositivi a semiconduttore ad alta potenza che subiscono forti sollecitazioni meccaniche durante il funzionamento.

La resistenza alla corrosione e all'abrasione lo rende un eccellente materiale da costruzione, ideale per impianti chimici e mulini con temperature che raggiungono i 1.400 gradi Celsius, così come l'elevato modulo di Young, pari a 400 GPa, lo rende adatto ai forni ad alta pressione.

La moissanite naturale è presente solo in tracce in alcuni tipi di meteoriti e depositi di corindone, ma la maggior parte della moissanite venduta come gemma o utilizzata per rinforzare i metalli è prodotta sinteticamente con metodi quali la deposizione a vapore di carbonio di silicio, la sinterizzazione di fibre polimeriche contenenti silicio o la cottura di rivestimenti refrattari contenenti silicio.

Per migliorarne la lavorabilità e la resistenza alla trazione, è stata recentemente creata una nuova formulazione di SiC che contiene meno ossido di berillio rispetto ai prodotti SiC tradizionali; è meno fragile; ha un coefficiente di espansione termica inferiore; può essere utilizzato in dispositivi di maggiore potenza; è meno costoso da produrre rispetto al carburo di silicio puro;

Costante dielettrica

Il carburo di silicio è uno dei materiali ceramici più duri e leggeri, con un'eccellente resistenza alla corrosione di acidi e alcali, un'ottima conducibilità termica e bassi valori del coefficiente di espansione termica - qualità che lo rendono adatto all'uso in ambienti ad alta temperatura come i forni per metalli fusi o l'industria chimica. Inoltre, il suo elevato modulo di Young (>400 GPa) aiuta a resistere alle sollecitazioni di flessione che altrimenti distruggerebbero altre ceramiche.

Il silicio ha un bandgap relativamente stretto che limita le variazioni di temperatura e di campo elettrico, fornendo il vantaggio necessario per le applicazioni di elettronica di potenza. Il silicio, il semiconduttore più comunemente usato, sta raggiungendo i suoi limiti a causa della mancanza di larghezza del bandgap e di tensione di breakdown; pertanto il niobio offre un'altra possibile opzione che potrebbe superare il silicio quando applicato a temperature e campi elettrici più elevati.

Per massimizzare il pieno potenziale del 4H-SiC, è necessario applicare dielettrici ad alto contenuto di k alla sua superficie tramite bersagli di sputtering al silano, al fine di diminuire la densità degli stati di interfaccia all'interfaccia con il carburo di silicio e i materiali dielettrici e migliorare le proprietà elettriche dei dispositivi.

Numerosi studi si sono concentrati sullo sviluppo di dielettrici ad alto coefficiente k in grado di lavorare sulla superficie di 4H-SiC. L'HfO2 e l'Y2O3 hanno dimostrato il loro valore migliorando le prestazioni elettriche grazie all'aumento del campo elettrico di breakdown, ma il loro elevato stato di interfaccia rimane un ostacolo alla piena implementazione nei dispositivi.

I ricercatori di Stanford hanno ideato un metodo per creare isolanti in carburo di silicio di alta qualità su scala wafer utilizzando l'incisione fotochimica e la lucidatura chimica meccanica, quindi utilizzando strati di dispositivi meno drogati su uno strato sacrificale fortemente drogato prima di utilizzare l'incisione fotochimica e la lucidatura chimica meccanica per rimuoverlo utilizzando l'incisione fotochimica e la lucidatura chimica meccanica, esponendo così il SiC e rendendo possibili isolanti di alta qualità adatti ad applicazioni fotoniche quantistiche e non lineari.

Anche con questi interessanti sviluppi, è ancora troppo presto per implementare i dielettrici ad alto coefficiente k in dispositivi commerciali basati su 4H-SiC. Pertanto, sarà necessario esplorare altri metodi per la fabbricazione di dispositivi metallo-isolante-semiconduttore su SiC fino a quando questo obiettivo non sarà realizzato.