Applicazioni del carburo di silicio β (β-SiC) nell’industria dei semiconduttori

Il β-SiC, noto anche come 3C-SiC, presenta una struttura cristallina cubica a blenda di zinco ed è una fase metastabile. Si differenzia dal 4H-SiC (fase α esagonale), commercialmente dominante nei dispositivi di potenza. Ha un band gap di circa 2,36 eV, un’elevata mobilità elettronica, supporta l’eteroepitassia su wafer di silicio e offre un’eccellente resistenza alle alte temperature, alla corrosione da plasma e alle radiazioni. Offre evidenti vantaggi in termini di costi per la produzione su larga scala, sebbene la produzione di massa di substrati monocristallini massivi rimanga una sfida. Le sue applicazioni nei semiconduttori rientrano in cinque categorie principali: materiali di consumo per i processi di produzione di semiconduttori, dispositivi di potenza ed epitassia, materiali di packaging, elettronica per ambienti estremi e optoelettronica.

1. Materiali di consumo chiave per apparecchiature di incisione/deposizione di semiconduttori (prodotte in serie)

1. Anello di focalizzazione/anello di bordo del wafer (CVD‑β‑SiC) SiC denso ad alta purezza CVD‑β‑SiC (purezza ≥99,99999%). Installato all’interno di incisori al plasma e camere CVD, attorno ai wafer Si/SiC. Modula il potenziale della guaina del plasma per migliorare l’uniformità dell’incisione su tutto il wafer e ridurre gli scarti dovuti ai bordi. Resiste all’erosione del plasma a base di fluoro e cloro, genera una contaminazione da particelle minima e offre una durata maggiore rispetto agli anelli in quarzo o silicio. Ampiamente utilizzato per nodi avanzati da 8 e 12 pollici fino a 5 nm.
2. Rivestimenti per camere, rivestimenti per suscettori, componenti per docce di gas. Beneficiano di elevata purezza, resistenza alla corrosione da plasma ed elevata conduttività termica. Utilizzati come parti strutturali e rivestimenti protettivi per camere di incisione, PVD e CVD per ridurre la contaminazione metallica sui wafer.

2. Epitassia e dispositivi a semiconduttore di potenza (Ricerca e sviluppo e produzione in piccoli lotti)

1. Film sottili di β-SiC eteroepitassiali su substrati di silicio. Il β-SiC può essere coltivato direttamente su wafer di silicio di grandi dimensioni, superando gli elevati costi e i colli di bottiglia produttivi dei substrati di 4H-SiC di grande diametro, consentendo flussi di lavoro con wafer da 8-12 pollici.

• Diodi Schottky SBD, MOSFET : bassa caduta di tensione in conduzione e prestazioni di commutazione rapide. Ideali per la conversione di potenza a media e bassa tensione, alimentatori DC-DC e azionamenti per motori. Più adatti per gamme di tensione medio-basse; inferiori al 4H-SiC per scenari ad alta tensione.
• Dispositivi a eterogiunzione α‑SiC / β‑SiC : Sfruttare la differenza di band gap tra i due politipi per i BJT a eterogiunzione al fine di migliorare l’efficienza di iniezione dei portatori di carica nei circuiti ad alta temperatura.

Nota: i substrati di β-SiC monocristallino in massa non sono prodotti commercialmente su larga scala. La maggior parte delle applicazioni si basa su film sottili epitassiali .

3. Interposer TGV per il packaging di chip AI di fascia alta (Ricerca e sviluppo all’avanguardia)

Gli interposer in β-SiC fungono da substrati per i fori passanti attraverso il vetro (TGV) per il packaging di GPU e HBM ad alte prestazioni.

• Conduttività termica: 200-300 W/m·K, basso coefficiente di dilatazione termica, elevata rigidità meccanica e basse perdite ad alta frequenza.
• Supera gli interposer in vetro in termini di dissipazione del calore per chip AI ad altissima potenza. Integrato con metallizzazione in rame e vie TGV verticali per realizzare interconnessioni chip-to-chip ad alta densità. Un promettente materiale candidato per il packaging avanzato di prossima generazione.

4. Dispositivi elettronici resistenti alle alte temperature e alle radiazioni (settore aerospaziale e nucleare)

1. Sensori e rilevatori per alte temperature: funzionamento a lungo termine al di sopra dei 600 °C per il rilevamento di pressione e temperatura in motori aeronautici e per l’esplorazione di pozzi petroliferi.
2. Circuiti integrati resistenti alle radiazioni: impiegati in satelliti e sistemi nucleari. Resistono alle radiazioni di neutroni e ioni ad alta energia con basse correnti di dispersione, risultando ideali per l’elettronica spaziale.
3. Dispositivi a microonde RF MESFET per 5G e radar. Il β-SiC presenta una mobilità elettronica isotropica con proprietà favorevoli alle alte frequenze; ​​attualmente è limitato a prototipi di laboratorio e non sostituisce commercialmente i substrati semi-isolanti 4H-SiC.

5. Optoelettronica

1. Fotorivelatori UV : l’ampio bandgap consente il rilevamento dei raggi ultravioletti senza risposta alla luce visibile, utilizzati per il monitoraggio delle fiamme e i sistemi di allarme ultravioletti.
2. Ricerca e sviluppo di LED UV a lunghezza d’onda corta: obiettivo l’emissione tra 200 e 400 nm, ancora in fase di laboratorio senza industrializzazione su larga scala.

6. Polvere di β-SiC ad elevata purezza per materie prime semiconduttrici a monte

1. Materiale precursore per rivestimenti CVD-SiC e per la produzione di anelli di focalizzazione CVD.
2. Materia prima per la crescita di monocristalli di SiC e per i target di sputtering.
3. Materiale di riempimento per imballaggi compositi termoconduttivi, volto a migliorare la dissipazione del calore del substrato.

Tabella comparativa dei semiconduttori β‑SiC e 4H‑SiC (α‑SiC)

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In sintesi: il più grande mercato commerciale di semiconduttori per il β-SiC è rappresentato dai materiali di consumo per il processo CVD-SiC, come gli anelli di focalizzazione/anelli di bordo. Le applicazioni per dispositivi di potenza sono dominate dalla ricerca e sviluppo sull’epitassia del β-SiC a base di silicio. Gli interposer TGV rappresentano una promettente area di sviluppo per la prossima generazione. Il 4H-SiC rimane il politipo principale per i semiconduttori di potenza ad alta tensione.