El carburo de silicio (SiC) es un compuesto extraordinario presente tanto en la industria de semiconductores como en productos cerámicos avanzados. Esto suele generar confusión entre el público general, que puede confundirlos con el mismo tipo de producto. En realidad, aunque comparten la misma composición química, el SiC se presenta como cerámicas avanzadas resistentes al desgaste o como semiconductores de alta eficiencia, desempeñando funciones completamente diferentes en aplicaciones industriales. Existen diferencias significativas entre los materiales de SiC de grado cerámico y de grado semiconductor en cuanto a estructura cristalina, procesos de fabricación, características de rendimiento y campos de aplicación.
- Requisitos de pureza divergentes para las materias primas
El SiC de grado cerámico tiene requisitos de pureza relativamente flexibles para su materia prima en polvo. Normalmente, los productos de grado comercial con una pureza del 90 % al 98 % pueden satisfacer la mayoría de las necesidades de aplicación, aunque las cerámicas estructurales de alto rendimiento pueden requerir una pureza del 98 % al 99,5 % (p. ej., el SiC ligado por reacción requiere un contenido controlado de silicio libre). Tolera ciertas impurezas y, en ocasiones, incorpora deliberadamente coadyuvantes de sinterización como óxido de aluminio (Al₂O₃) u óxido de itrio (Y₂O₃) para mejorar el rendimiento de la sinterización, reducir las temperaturas de sinterización y aumentar la densidad del producto final.
El SiC de grado semiconductor exige niveles de pureza casi perfectos. El SiC monocristalino de grado sustrato requiere una pureza ≥99,9999 % (6N), y algunas aplicaciones de alta gama requieren una pureza de 7N (99,99999 %). Las capas epitaxiales deben mantener concentraciones de impurezas por debajo de 10¹⁶ átomos/cm³ (evitando especialmente impurezas profundas como B, Al y V). Incluso impurezas traza como hierro (Fe), aluminio (Al) o boro (B) pueden afectar gravemente las propiedades eléctricas al causar dispersión de portadores, reducir la intensidad del campo de ruptura y, en última instancia, comprometer el rendimiento y la fiabilidad del dispositivo, lo que requiere un estricto control de impurezas.
material semiconductor de carburo de silicio
- Estructuras cristalinas distintivas y calidad
El SiC de grado cerámico se presenta principalmente en forma de polvo policristalino o cuerpos sinterizados compuestos por numerosos microcristales de SiC orientados aleatoriamente. El material puede contener múltiples politipos (p. ej., α-SiC, β-SiC) sin un control estricto sobre politipos específicos, priorizando la densidad y uniformidad general del material. Su estructura interna presenta abundantes límites de grano y poros microscópicos, y puede contener coadyuvantes de sinterización (p. ej., Al₂O₃, Y₂O₃).
El SiC de grado semiconductor debe ser sustrato monocristalino o capas epitaxiales con estructuras cristalinas altamente ordenadas. Requiere politipos específicos obtenidos mediante técnicas de crecimiento cristalino de precisión (p. ej., 4H-SiC, 6H-SiC). Propiedades eléctricas como la movilidad electrónica y la banda prohibida son extremadamente sensibles a la selección de politipos, lo que requiere un control estricto. Actualmente, el 4H-SiC domina el mercado gracias a sus propiedades eléctricas superiores, como la alta movilidad de portadores y la intensidad del campo de ruptura, lo que lo hace ideal para dispositivos de potencia.
- Comparación de la complejidad del proceso
El SiC de grado cerámico emplea procesos de fabricación relativamente sencillos (preparación del polvo → conformado → sinterización), similares a la fabricación de ladrillos. El proceso implica:
- Mezcla de polvo de SiC de calidad comercial (normalmente de tamaño micrométrico) con aglutinantes
- Formación mediante prensado
- Sinterización a alta temperatura (1600-2200 °C) para lograr la densificación mediante difusión de partículas
La mayoría de las aplicaciones se pueden satisfacer con una densidad superior al 90 %. El proceso completo no requiere un control preciso del crecimiento cristalino, ya que se centra en la consistencia de la formación y la sinterización. Entre sus ventajas se encuentra la flexibilidad del proceso para formas complejas, aunque con requisitos de pureza relativamente menores.
El SiC de grado semiconductor implica procesos mucho más complejos (preparación de polvo de alta pureza → crecimiento del sustrato monocristalino → deposición epitaxial de obleas → fabricación del dispositivo). Los pasos clave incluyen:
- Preparación del sustrato principalmente mediante el método de transporte físico de vapor (PVT)
- Sublimación de polvo de SiC en condiciones extremas (2200-2400 °C, alto vacío)
- Control preciso de gradientes de temperatura (±1 °C) y parámetros de presión
- Crecimiento de capas epitaxiales mediante deposición química de vapor (CVD) para crear capas dopadas de espesor uniforme (normalmente de varios a decenas de micrones)
Todo el proceso requiere entornos ultralimpios (p. ej., salas blancas de clase 10) para evitar la contaminación. Entre sus características se incluyen una precisión extrema del proceso, que exige control sobre los campos térmicos y los caudales de gas, con requisitos rigurosos tanto en la pureza de la materia prima (>99,9999 %) como en la sofisticación de los equipos.
- Diferencias significativas de costos y orientaciones del mercado
Características del SiC de grado cerámico:
- Materia prima: Polvo de calidad comercial
- Procesos relativamente simples
- Bajo costo: miles a decenas de miles de RMB por tonelada
- Amplias aplicaciones: abrasivos, refractarios y otras industrias sensibles a los costos.
Características del SiC de grado semiconductor:
- Ciclos largos de crecimiento del sustrato
- Control de defectos desafiante
- Tasas de rendimiento bajas
- Alto costo: miles de dólares por sustrato de 6 pulgadas
- Mercados objetivo: Electrónica de alto rendimiento, como dispositivos de potencia y componentes de RF
Con el rápido desarrollo de vehículos de nueva energía y comunicaciones 5G, la demanda del mercado está creciendo exponencialmente.
- Escenarios de aplicación diferenciados
El SiC de grado cerámico es el material de mayor rendimiento industrial, principalmente para aplicaciones estructurales. Gracias a sus excelentes propiedades mecánicas (alta dureza y resistencia al desgaste) y térmicas (resistencia a altas temperaturas y a la oxidación), destaca en:
- Abrasivos (muelas abrasivas, papel de lija)
- Refractarios (revestimientos de hornos de alta temperatura)
- Componentes resistentes al desgaste y a la corrosión (cuerpos de bombas, revestimientos de tuberías)
Componentes estructurales cerámicos de carburo de silicio
El SiC de grado semiconductor se comporta como la “élite electrónica”, aprovechando sus propiedades semiconductoras de banda ancha para demostrar ventajas únicas en dispositivos electrónicos:
- Dispositivos de potencia: inversores de vehículos eléctricos, convertidores de red (que mejoran la eficiencia de conversión de energía)
- Dispositivos de RF: estaciones base 5G, sistemas de radar (que permiten frecuencias operativas más altas)
- Optoelectrónica: Material de sustrato para LED azules
Oblea epitaxial de SiC de 200 milímetros
| Dimensión | SiC de grado cerámico | SiC de grado semiconductor |
| Estructura cristalina | Policristalino, múltiples politipos | Monocristal, politipos estrictamente seleccionados |
| Enfoque en el proceso | Densificación y control de forma | Control de la calidad del cristal y de las propiedades eléctricas |
| Prioridad de rendimiento | Resistencia mecánica, resistencia a la corrosión, estabilidad térmica. | Propiedades eléctricas (banda prohibida, campo de ruptura, etc.) |
| Escenarios de aplicación | Componentes estructurales, piezas resistentes al desgaste, componentes de alta temperatura | Dispositivos de alta potencia, dispositivos de alta frecuencia, dispositivos optoelectrónicos |
| Factores de costo | Flexibilidad del proceso, coste de la materia prima | Tasa de crecimiento de cristales, precisión del equipo, pureza de la materia prima. |
En resumen, la diferencia fundamental radica en sus distintos propósitos funcionales: el SiC de grado cerámico se basa en la forma (estructura), mientras que el SiC de grado semiconductor se basa en las propiedades (eléctricas). El primero busca un rendimiento mecánico/térmico rentable, mientras que el segundo representa la cumbre de la tecnología de preparación de materiales como material funcional monocristalino de alta pureza. Si bien comparten el mismo origen químico, el SiC de grado cerámico y el de grado semiconductor presentan claras diferencias en pureza, estructura cristalina y procesos de fabricación; sin embargo, ambos contribuyen significativamente a la producción industrial y al avance tecnológico en sus respectivos campos.
XKH es una empresa de alta tecnología especializada en I+D y producción de materiales de carburo de silicio (SiC). Ofrece servicios de desarrollo a medida, mecanizado de precisión y tratamiento de superficies, desde cerámica de SiC de alta pureza hasta cristales de SiC de grado semiconductor. Gracias a tecnologías de preparación avanzadas y líneas de producción inteligentes, XKH ofrece productos y soluciones de SiC de rendimiento ajustable (pureza del 90 %-7 N) y estructura controlada (policristalino/monocristalino) para clientes de los sectores de semiconductores, nuevas energías, aeroespacial y otros sectores de vanguardia. Nuestros productos tienen amplias aplicaciones en equipos de semiconductores, vehículos eléctricos, comunicaciones 5G e industrias afines.
Los siguientes son dispositivos de cerámica de carburo de silicio producidos por XKH.
Hora de publicación: 30 de julio de 2025