Introduzione
I progressi tecnologici nel settore dell'elettronica di potenza sono in crescita grazie ai wafer di carburo di silicio. Questi materiali semiconduttori specializzati offrono caratteristiche uniche che li rendono la scelta migliore per la produzione di dispositivi che richiedono alta frequenza e alta potenza. Questo articolo esplorerà i wafer di carburo di silicio, le loro caratteristiche e le loro applicazioni.
Caratteristiche dei wafer di carburo di silicio
Un wafer di carburo di silicio (SiC) è un sottile pezzo di materiale cristallino prodotto dal composto semiconduttore, Carburo di Silicio. Questi due elementi nel wafer semiconduttore hanno i loro atomi legati tra loro covalentemente, creando una struttura cristallina rigida nota per la sua elevata stabilità. Al suo interno, presenta una notevole durezza e la capacità di condurre il calore, mantenendo al contempo buone prestazioni nei dispositivi.
I wafer SiC possiedono un ampio bandgap (circa 3,3 eV) che consente a qualsiasi dispositivo in cui vengono inseriti di produrre i migliori risultati ad alte temperature e tensioni.
I wafer di carburo di silicio possono essere di diverse forme, le principali delle quali sono i formati 4H-SiC e 6H-SiC, utilizzati in vari settori, in particolare nell'elettronica di potenza. La struttura del reticolo cristallino del wafer è rappresentata dalla lettera H, mentre la sequenza di impilamento degli atomi all'interno della struttura cristallina è rappresentata dai numeri 4 e 6.
Questi wafer o substrati semiconduttori, come a volte vengono chiamati, sono eccellenti nel trasferire il calore da un punto all'altro, resistere all'ossidazione, aumentare l'efficienza e, cosa che li rende superiori ai wafer di silicio. Vantano un'ottima conduttività elettrica; per questo motivo, vengono utilizzati in applicazioni che spaziano dai veicoli elettrici (EV) ai chip per computer, all'industria aerospaziale, ai laser, ai LED, ai ricevitori ottici, ai diodi Schottky, ai transistor MOSFET, alle celle solari e ai circuiti integrati.
Con un diametro standard compreso tra 150 mm e 200 mm e una superficie piana ed elegante, i dispositivi wafer SiC tendono ad avere velocità di commutazione migliori e più rapide, dimensioni più piccole e un'impressionante immunità al surriscaldamento grazie alla loro capacità di gestire temperature e tensioni elevate.
Doping di wafer di SiC
Per controllare le proprietà elettriche dei wafer di carburo di silicio, nel tempo è stato adottato un processo chiamato drogaggio. Si tratta dell'introduzione di impurità nei wafer di SiC attraverso varie tecniche, come l'impianto ionico e il drogaggio immobile durante la crescita epitassiale. Nel tempo, queste tecniche sono state tutte opportunamente migliorate, consentendo di controllare l'attivazione e la concentrazione del drogaggio. Tra questi droganti figurano l'azoto ricco di elettroni (tipo n) e il boro, che controlla la conduttività di tipo p.
Tipi di wafer di SiC
Esistono due principali tipi di wafer SiC:
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Wafer di SiC lucidato
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Wafer di SiC cristallino epitassiale
Il wafer di SiC lucidato è un singolo disco di carburo di silicio composto da cristalli di SiC altamente purificati, utilizzati principalmente nell'elettronica ad alta potenza. Sono disponibili in diametri che vanno da 100 mm a 150 mm.
D'altra parte, il tipo di wafer di SiC cristallino epitassiale, noto anche come epitassia di tipo n, si forma aggiungendo diversi cristalli di carburo di silicio a una superficie. In questo caso, lo spessore del materiale è attentamente controllato.
Proprietà dei wafer di carburo di silicio
Alcune delle qualità uniche che rendono eccezionali i wafer SiC sono:
1. Utilizzo efficiente dell'energia.
2. Longevità e capacità di lavorare ad alte frequenze.
3. Capacità di operare a temperature fino a 200°C.
4. Basse perdite di commutazione.
5. Elevata conduttività termica
6. Minore dilatazione termica.
7. Forte mobilità di elettroni e lacune.
8. Elevato campo elettrico di rottura.
9. Resistenza termica impressionante.
10. Eccellente resistenza all'ossidazione e alle condizioni difficili.
Confronto tra wafer di carburo di silicio di qualità Prime e Research
Quando si tratta di wafer in carburo di silicio, di solito è possibile scegliere tra due diverse qualità: i wafer in carburo di silicio di grado Prime e quelli di grado Research. Tuttavia, entrambe le qualità presentano pro e contro. Fattori come il costo di acquisto, l'applicazione e il difetto di densità possono essere fondamentali da considerare nella scelta.
Wafer di carburo di silicio di prima qualità
È possibile utilizzare questo tipo di wafer per applicazioni di fascia alta che richiedono un livello molto elevato di prestazioni e affidabilità. Questi wafer in carburo di silicio di alta qualità presentano elevati livelli di purezza e una bassissima densità di difetti, il che li rende un'ottima scelta da considerare. Questa qualità consente loro di funzionare in modo ottimale in qualsiasi condizione, con errori minimi o nulli.
I wafer di SiC di prima qualità sono molto utili nei settori aerospaziale, dell'informatica di fascia alta, della tecnologia dei chip per computer, dei convertitori di potenza e dell'elettronica di potenza. Questo perché in questi settori non vi è alcun margine di errore, il che rende questo wafer più costoso rispetto ad altre varianti di grado di ricerca.
Caratteristiche - Wafer SiC di prima qualità:
1. I wafer di SiC di prima qualità hanno solitamente una superficie utilizzabile di circa 90%.
2. Presentano inoltre una densità di difetti molto bassa.
3. Questi wafer possiedono una densità di microtubi pari a 5/cm².
4. Presentano una resistività uniforme di circa 90%.
5. I wafer SiC di prima qualità presentano i valori migliori in termini di spessore complessivo, deformazioni e curvature, il che li rende semiconduttori efficienti e stabili.
Wafer di carburo di silicio di grado di ricerca
Questo tipo di wafer offre un equilibrio tra qualità e costo. Se desiderate sviluppare, creare nuove idee e innovazioni, o magari sperimentare progetti sui semiconduttori, i wafer di SiC di livello di ricerca sono la soluzione ideale. Questi wafer non offrono la stessa precisione dei wafer di SiC di prima qualità, perché presentano una maggiore densità di difetti e una maggiore variabilità.
Sebbene questi wafer possano comunque garantire un ragionevole numero di operazioni di alto livello, sono specificamente realizzati per essere convenienti e adatti alla sperimentazione e a progetti meno critici come lavori accademici e di ricerca.
Caratteristiche - Wafer in carburo di silicio di grado di ricerca:
1. Questi wafer hanno una superficie utilizzabile di circa 80%.
2. Hanno anche una densità di difetti più elevata e una densità di microtubi di 10/cm²
3. La loro resistività uniforme è di circa 80%.
5. Hanno spessore, valori di curvatura e deformazione migliori, ma non ottimali.
Avete chiaramente visto che, quando si tratta di scegliere tra wafer di SiC di prima qualità o di grado di ricerca, la scelta migliore dipende dall'utilizzo che intendete farne. Ad esempio, se siete uno studente universitario che sta conducendo ricerche per un nuovo semiconduttore, i wafer di SiC di grado di ricerca potrebbero essere la scelta migliore, ma la situazione sarebbe diversa se foste un produttore che cerca di realizzare applicazioni di fascia alta con un margine di errore minimo.
I vari modi in cui possono essere applicati i wafer SiC
I wafer di SiC possono essere impiegati in diversi ambiti, tra cui dispositivi di potenza come diodi Schottky e transistor MOSFET. Possono inoltre essere impiegati in optoelettronica, chip per computer, infrastrutture wireless e applicazioni aerospaziali e militari, come sistemi di comunicazione satellitare e radar, sistemi di energia rinnovabile come inverter solari, convertitori per turbine eoliche, progetti idroelettrici, ecc.
Tendenza internazionale attuale e valore di mercato dei Sic Wafers
Analizzando attentamente l'attuale valore di mercato e le tendenze globali dei wafer in SiC, si noterà che le applicazioni di questi dispositivi stanno riscuotendo un successo significativo. Da quando è stato inventato il 5G e la sua adozione su larga scala in tutto il mondo, la domanda di wafer in SiC è salita alle stelle.
Nel 2021, il valore di mercato dei wafer di SiC è salito a circa 367,8 milioni di tonnellate (TP4T), con un tasso di crescita annuo attuale (CAGR) di 19,11 tonnellate (TP3T). Nonostante un calo di 12,11 tonnellate (TP3T) nel 2020 dovuto alla pandemia globale di COVID-19, gli analisti di mercato prevedono che supererà 1,4 miliardi di tonnellate (TP4T) entro il 2029. È interessante notare che il Nord America è diventato uno dei principali fornitori di wafer in carburo di silicio, mentre Shin-Etsu Chemical rimane il principale fornitore di wafer di SiC al mondo.
Tuttavia, qui a GGSCeramics, forniamo un'eccellente combinazione di wafer SiC di alta qualità e convenienti per soddisfare le vostre esigenze in fatto di semiconduttori.
Domande frequenti
Perché i semiconduttori vengono utilizzati nei chip?
I semiconduttori vengono utilizzati nei chip per la loro capacità di controllare adeguatamente il flusso delle correnti elettriche nel sistema senza necessariamente interromperne le funzioni generali.
Cosa differenzia i wafer di silicio dai wafer di carburo di silicio?
I wafer di carburo di silicio hanno un bandgap dieci volte superiore a quello dei wafer di silicio. Ciò significa che possono sopportare temperature e tensioni più elevate e anche una migliore conduttività termica rispetto ai wafer di silicio.
Perché i wafer semiconduttori sono comunemente utilizzati in elettronica?
I wafer semiconduttori sono comunemente utilizzati in elettronica perché hanno la capacità intrinseca di condurre il flusso di elettricità e di controllarlo efficacemente, rendendoli quindi facilmente utilizzabili come sistema di controllo per il flusso di corrente elettrica tra i componenti di un dispositivo elettrico. Questa caratteristica speciale spiega anche perché vengono ancora utilizzati nella produzione di chip per computer e circuiti integrati.
Conclusione
Pur continuando a offrire prestazioni elevate a costi contenuti, i wafer di carburo di silicio sono diventati indiscutibilmente un catalizzatore fondamentale per la crescita dell'industria dei semiconduttori a livello mondiale. Dalle sue numerose applicazioni nell'elettronica di potenza, all'aerospaziale e a numerose altre innovazioni straordinarie, sta sicuramente battendo nuovi record e ne stabilirà presto di nuovi.