El desarrollo y las aplicaciones del carburo de silicio (SiC)
1. Un siglo de innovación en SiC
El viaje del carburo de silicio (SiC) comenzó en 1893, cuando Edward Goodrich Acheson diseñó el horno Acheson, utilizando materiales de carbono para lograr la producción industrial de SiC mediante el calentamiento eléctrico de cuarzo y carbono. Esta invención marcó el inicio de la industrialización del SiC y le valió a Acheson una patente.
A principios del siglo XX, el SiC se utilizaba principalmente como abrasivo debido a su notable dureza y resistencia al desgaste. A mediados del siglo XX, los avances en la tecnología de deposición química de vapor (CVD) abrieron nuevas posibilidades. Investigadores de Bell Labs, dirigidos por Rustum Roy, sentaron las bases para CVD SiC y lograron los primeros recubrimientos de SiC en superficies de grafito.
En la década de 1970 se produjo un gran avance cuando Union Carbide Corporation aplicó grafito recubierto de SiC en el crecimiento epitaxial de materiales semiconductores de nitruro de galio (GaN). Este avance jugó un papel fundamental en los láseres y LED basados en GaN de alto rendimiento. A lo largo de las décadas, los recubrimientos de SiC se han expandido más allá de los semiconductores hasta aplicaciones en la industria aeroespacial, automotriz y electrónica de potencia, gracias a las mejoras en las técnicas de fabricación.
Hoy en día, innovaciones como la pulverización térmica, el PVD y la nanotecnología están mejorando aún más el rendimiento y la aplicación de los recubrimientos de SiC, mostrando su potencial en campos de vanguardia.
2. Comprensión de las estructuras cristalinas y usos del SiC
El SiC cuenta con más de 200 politipos, categorizados por sus disposiciones atómicas en estructuras cúbicas (3C), hexagonales (H) y romboédricas (R). Entre ellos, el 4H-SiC y el 6H-SiC se utilizan ampliamente en dispositivos optoelectrónicos y de alta potencia, respectivamente, mientras que el β-SiC se valora por su conductividad térmica superior, resistencia al desgaste y resistencia a la corrosión.
β-SiCpropiedades únicas, como la conductividad térmica de120-200 W/m·Ky un coeficiente de expansión térmica que se asemeja mucho al grafito, lo convierten en el material preferido para recubrimientos de superficies en equipos de epitaxia de obleas.
3. Recubrimientos de SiC: propiedades y técnicas de preparación
Los recubrimientos de SiC, típicamente β-SiC, se aplican ampliamente para mejorar las propiedades de la superficie como la dureza, la resistencia al desgaste y la estabilidad térmica. Los métodos comunes de preparación incluyen:
- Deposición química de vapor (CVD):Proporciona recubrimientos de alta calidad con excelente adherencia y uniformidad, ideal para sustratos grandes y complejos.
- Deposición física de vapor (PVD):Ofrece un control preciso sobre la composición del recubrimiento, adecuado para aplicaciones de alta precisión.
- Técnicas de pulverización, deposición electroquímica y recubrimiento en suspensión: Sirven como alternativas rentables para aplicaciones específicas, aunque con diversas limitaciones en adherencia y uniformidad.
Cada método se elige en función de las características del sustrato y los requisitos de aplicación.
4. Susceptores de grafito recubiertos de SiC en MOCVD
Los susceptores de grafito recubiertos de SiC son indispensables en la deposición química de vapores de metales orgánicos (MOCVD), un proceso clave en la fabricación de materiales semiconductores y optoelectrónicos.
Estos susceptores brindan un soporte sólido para el crecimiento de la película epitaxial, lo que garantiza la estabilidad térmica y reduce la contaminación por impurezas. El recubrimiento de SiC también mejora la resistencia a la oxidación, las propiedades de la superficie y la calidad de la interfaz, lo que permite un control preciso durante el crecimiento de la película.
5. Avanzando hacia el futuro
En los últimos años se han realizado importantes esfuerzos para mejorar los procesos de producción de sustratos de grafito recubiertos de SiC. Los investigadores se están centrando en mejorar la pureza, la uniformidad y la vida útil del recubrimiento y, al mismo tiempo, reducir los costos. Además, la exploración de materiales innovadores comoRecubrimientos de carburo de tantalio (TaC)Ofrece mejoras potenciales en la conductividad térmica y la resistencia a la corrosión, allanando el camino para soluciones de próxima generación.
A medida que la demanda de susceptores de grafito recubiertos de SiC continúa creciendo, los avances en la fabricación inteligente y la producción a escala industrial respaldarán aún más el desarrollo de productos de alta calidad para satisfacer las necesidades cambiantes de las industrias de semiconductores y optoelectrónica.
Hora de publicación: 24 de noviembre de 2023