Los monocristales son raros en la naturaleza, e incluso cuando se encuentran, suelen ser muy pequeños —normalmente del orden de milímetros (mm)— y difíciles de obtener. Los diamantes, esmeraldas, ágatas, etc., de los que se tiene constancia, generalmente no entran en circulación comercial, y mucho menos en aplicaciones industriales; la mayoría se exhiben en museos. Sin embargo, algunos monocristales poseen un valor industrial significativo, como el silicio monocristalino en la industria de circuitos integrados, el zafiro comúnmente utilizado en lentes ópticas y el carburo de silicio, que está ganando terreno en los semiconductores de tercera generación. La capacidad de producir en masa estos monocristales a nivel industrial no solo representa una fortaleza en la tecnología industrial y científica, sino que también es un símbolo de riqueza. El requisito principal para la producción de monocristales en la industria es su gran tamaño, ya que esto es clave para reducir los costos de manera más efectiva. A continuación, se presentan algunos monocristales comunes en el mercado:
1. Cristal único de zafiro
El monocristal de zafiro se refiere a la aleación α-Al₂O₃, que posee un sistema cristalino hexagonal, una dureza Mohs de 9 y propiedades químicas estables. Es insoluble en líquidos corrosivos ácidos o alcalinos, resistente a altas temperaturas y presenta una excelente transmisión de luz, conductividad térmica y aislamiento eléctrico.
Si los iones de Al en el cristal se reemplazan por iones de Ti y Fe, el cristal adquiere un color azul y se denomina zafiro. Si se reemplazan por iones de Cr, adquiere un color rojo y se denomina rubí. Sin embargo, el zafiro industrial es α-Al₂O₃ puro, incoloro y transparente, sin impurezas.
El zafiro industrial suele presentarse en forma de obleas de 400 a 700 μm de espesor y de 4 a 8 pulgadas de diámetro. Estas obleas se obtienen a partir de lingotes de cristal. Abajo se muestra un lingote recién extraído de un horno de cristal único, aún sin pulir ni cortar.
En 2018, la empresa Jinghui Electronic Company, en Mongolia Interior, logró cultivar con éxito el cristal de zafiro ultragrande más grande del mundo, con un peso de 450 kg. El anterior récord mundial lo ostentaba un cristal de 350 kg producido en Rusia. Como se aprecia en la imagen, este cristal tiene una forma regular, es totalmente transparente, carece de grietas y límites de grano, y presenta muy pocas burbujas.
2. Silicio monocristalino
Actualmente, el silicio monocristalino utilizado en los chips de circuitos integrados tiene una pureza de entre el 99,9999999 % y el 99,999999999 % (9-11 nueves), y un lingote de silicio de 420 kg debe mantener una estructura perfecta similar a la del diamante. En la naturaleza, incluso un diamante de un quilate (200 mg) es relativamente raro.
La producción mundial de lingotes de silicio monocristalino está dominada por cinco grandes empresas: la japonesa Shin-Etsu (28,0 %), la japonesa SUMCO (21,9 %), la taiwanesa GlobalWafers (15,1 %), la surcoreana SK Siltron (11,6 %) y la alemana Siltronic (11,3 %). Incluso el mayor fabricante de obleas de semiconductores de China continental, NSIG, solo ostenta alrededor del 2,3 % de la cuota de mercado. Sin embargo, como empresa de reciente creación, no debe subestimarse su potencial. En 2024, NSIG planea invertir en un proyecto para modernizar la producción de obleas de silicio de 300 mm para circuitos integrados, con una inversión total estimada de 13 200 millones de yenes.
Como materia prima para chips, los lingotes de silicio monocristalino de alta pureza están pasando de diámetros de 6 a 12 pulgadas. Las principales fundiciones internacionales de chips, como TSMC y GlobalFoundries, están convirtiendo los chips fabricados con obleas de silicio de 12 pulgadas en la norma del mercado, mientras que las obleas de 8 pulgadas se están eliminando gradualmente. El líder nacional, SMIC, sigue utilizando principalmente obleas de 6 pulgadas. Actualmente, solo la japonesa SUMCO puede producir sustratos de obleas de 12 pulgadas de alta pureza.
3. Arseniuro de galio
Las obleas de arseniuro de galio (GaAs) son un material semiconductor importante, y su tamaño es un parámetro crítico en el proceso de preparación.
Actualmente, las obleas de GaAs se producen normalmente en tamaños de 2, 3, 4, 6, 8 y 12 pulgadas. Entre ellas, las obleas de 6 pulgadas son una de las especificaciones más utilizadas.
El diámetro máximo de los monocristales cultivados mediante el método Bridgman Horizontal (HB) suele ser de 7,6 cm (3 pulgadas), mientras que el método Czochralski encapsulado en líquido (LEC) permite obtener monocristales de hasta 30,5 cm (12 pulgadas) de diámetro. Sin embargo, el cultivo LEC requiere una inversión considerable en equipos y produce cristales con falta de uniformidad y una alta densidad de dislocaciones. Los métodos de Congelación por Gradiente Vertical (VGF) y Bridgman Vertical (VB) permiten actualmente obtener monocristales de hasta 20,3 cm (8 pulgadas) de diámetro, con una estructura relativamente uniforme y una menor densidad de dislocaciones.
La tecnología de producción de obleas pulidas de GaAs semi-aislantes de 4 y 6 pulgadas está dominada principalmente por tres empresas: Sumitomo Electric Industries de Japón, Freiberger Compound Materials de Alemania y AXT de Estados Unidos. En 2015, los sustratos de 6 pulgadas ya representaban más del 90% de la cuota de mercado.
En 2019, el mercado global de sustratos de GaAs estuvo dominado por Freiberger, Sumitomo y Beijing Tongmei, con cuotas de mercado del 28 %, 21 % y 13 %, respectivamente. Según estimaciones de la consultora Yole, las ventas globales de sustratos de GaAs (convertidas a equivalentes de 2 pulgadas) alcanzaron aproximadamente los 20 millones de unidades en 2019 y se prevé que superen los 35 millones de unidades para 2025. El mercado global de sustratos de GaAs se valoró en alrededor de 200 millones de dólares en 2019 y se espera que alcance los 348 millones de dólares para 2025, con una tasa de crecimiento anual compuesto (TCAC) del 9,67 % entre 2019 y 2025.
4. Monocristal de carburo de silicio
Actualmente, el mercado puede soportar plenamente el crecimiento de monocristales de carburo de silicio (SiC) de 2 y 3 pulgadas de diámetro. Numerosas empresas han informado del éxito en el crecimiento de monocristales de SiC tipo 4H de 4 pulgadas, lo que marca el logro de China de alcanzar niveles de clase mundial en la tecnología de crecimiento de cristales de SiC. Sin embargo, aún existe una brecha considerable antes de su comercialización.
En general, los lingotes de SiC cultivados mediante métodos de fase líquida son relativamente pequeños, con espesores del orden de centímetros. Esta es también una de las razones del elevado coste de las obleas de SiC.
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Fecha de publicación: 29 de agosto de 2025