Marie Curie Actions
Project funded by the EC within the 6th Framework Programme
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Mansic for all
 
Il Carburo di Silicio
Il Carburo di Silicio (SiC), anche noto come carborundo o moissanite (nome dato dal ricercatore francese Dr. Henri MOISSAN che per primo lo identificò nel 1905), è un composto solido costituito dal 50% di carbonio e dal 50% di silicio. Il SiC presente in natura si trova solo in piccole quantità in siti geologichi come giacimenti di diamante, bocche vulcaniche kimberlitiche e persino in alcuni tipi di meteoriti. Virtualmente, tutto il carburo di silicio in commercio nel mondo è di tipo sintetico.
Questo materiale è al tempo stesso un materiale ceramico ed un semiconduttore dalle eccellenti proprietà. E’ molto duro (quasi come il diamante), chimicamente inerte, resistente alle alte temperature (>1000°C), all’ossidazione ed agli ambienti ostili. Ha un’elevata conducibilità termica e, pertanto, può dissipare il calore come un metallo. Per più di un secolo è stato utilizzato come abrasivo nell’industria (era il prodotto principale della ditta Carborundum) ma le sue applicazioni si stanno oggi espandendo al campo aero-spaziale (motori al alta temperatura, dischi frenanti), composti, filtri di particolato ed elementi riscaldanti.
I cristalli di SiC sono recentemente usati per la fabbricazione di gioielli, sotto il nome di moissanite, per via delle loro proprietà ottiche molto simili a quelle del diamante. Comunque la principale applicazione del SiC cristallino è il campo dell’elettronica. Infatti, dispositivi elettronici in SiC possono lavorare a temperature, potenze e frequenze maggiori, ed in ambienti più ostili, rispetto a quelli dei dispositivi a semiconduttore convenzionali (silicio, germanio, arseniuro di gallio…). In ogni caso, per ottenere le proprietà intrinseche del SiC, è fondamentale la crescita di cristalli di elevata qualità.
Gioiello fatto con un cristallo di Moissanite
Dr. Henri MOISSAN
(28-09-1852
20-02-1907)
Pubblicità del 1894 della ditta Carborundum per il suo nuovo abrasivo
Crescita di cristalli di SiC

Un cristallo è un solido composto da una sequenza regolare e periodica di atomi. Quasi tutti i materiali in fase solida (metalli, leghe, ceramiche, sali, plastiche…) possono formare cristalli se sono soddisfatte le condizioni per il loro arrangiamento atomico. Nella maggior parte dei casi, deve essere fornita energia (sotto forma di calore, o pressione) per aiutare gli atomi a posizionarsi in un reticolo tridimensionale. I cristalli che si trovano in natura si formano spontaneamente ma la loro crescita di solito produce una grande quantità di difetti (imperfezioni nella sequenza atomica, inclusioni di altri materiali, …). Dal momento che l’industria elettronica necessita di cristalli di elevata qualità per migliorare le prestazioni dei dispositivi, i migliori cristalli formati spontaneamente vengono generalmente usati come seme per la successiva crescita di un cristallo di qualità migliore. In questo caso, viene utilizzata una tecnica di crescita “di replica” chiamata epitassia (dal greco epi = sopra e taxis = in maniera ordinata), che usa dei reagenti ed un seme cristallino.

Cella unitaria di un cristallo di diamante
Cella unitaria di un cristallo di carburo di silicio

 
Immagine in sezione della sequenza atomica all’interfaccia tra il silicio cristallino ed un film epitassiale di carburo di silicio
Schematico del processo di crescita epitassiale dalla fase di vapore

E’ importante notare che la sequenza periodica (il reticolo tridimensionale) degli atomi all’interno dei cristalli dipende spesso dalle condizioni di cristallizzazione. Il più famoso esempio è dato dagli atomi di carbonio che possono produrre la grafite sotto moderate condizioni di temperatura e pressione, ma anche dar luogo alla formazione di diamante se la temperatura e la pressione sono estremamente elevate. La capacità di cristallizzare in differenti forme è detta polimorfismo.
Il SiC presenta un caso particolare di polimorfismo detto politipismo, in cui le variazioni della sequenza dei piani di atomi occorre soltanto in una specifica direzione del reticolo tridimensionale. Per via di questa specifica proprietà che consente infinite variazioni del reticolo, sono state scoperte decine di politipi di SiC.
Comunque, solo tre politipi sono prodotti comunemente in quanto più stabili. Essi sono il 6H-SiC, il 4H-SiC ed il 3C-SiC (le lettere H e C si riferiscono alla simmetria del cristallo, H per l’esagonale e C per il cubico). La maggior parte delle proprietà fisiche di questi politipi sono identiche, eccetto quelle elettroniche. Per i dispositivi elettronici, ciascun politipo offre dei vantaggi specifici. Per esempio, il 4H-SiC è maggiormente indicato per l’alta potenza (per esempio nella distribuzione di energia elettrica ad alta tensione) e le alte temperature (per esempio nelle auto o negli aerei) mentre il 3C-SiC dovrebbe essere migliore per le applicazioni ad alta frequenza (radar).
Differenti sequenze atomiche dei politipi del SiC

Grazie all’elevata stabilità termica del SiC, è necessario fornire una grande quantità energia per ottenere la crescita del cristallo. Di conseguenza, le tecniche comunemente usate per la crescita richiedono temperature sopra i 2200°C. Queste alte temperature rendono il processo di crescita difficilmente controllabile. Inoltre queste condizioni permettono solo la cristallizzazione di politipi esagonali (6H e 4H), essendo il 3C stabile a temperature minori (sotto i 2200°C), alle quali l’energia fornita agli atomi non è sufficiente per una buona crescita cristallina.
Per questa ragione non sono attualmente disponibili in commercio cristalli di 3C-SiC di qualità sufficientemente buona per applicazioni nell’elettronica, mentre cristalli di 4H e 6H di elevata qualità possono già essere acquistati da diverse ditte.
 
Crescita di cristalli di SiC cubico
Due punti cruciali devono essere risolti per ottenere materiale 3C-SiC adatto per le applicazioni nel campo dell’elettronica:
1) trovare un seme adeguato per l’epitassia del 3C (dal momento che non sono disponibili cristalli di 3C di buona qualità)
2) sviluppare nuove tecniche per promuovere la crescita di 3C di buona qualità cristallina (bassa densità di difetti) anche a basse temperature (per la stabilizzazione del 3C).
Per quanto riguarda il seme, il silicio cristallino è stato studiato per l’epitassia di SiC ma il materiale 3C cresciuto su Si è sempre di bassa qualità. In condizioni specifiche, i politipi 6H e 4H possono essere usati come seme per l’epitassia di 3C ma gli strati ottenuti contengono sempre una elevata densità di difetti.
Recentemente sono state sviluppate nuove tecniche di crescita in Europa che hanno come obiettivo la crescita del politipo 3C. Queste tecniche hanno dimostrato risultati promettenti e complementari dato che permettono la deposizione di strati di 3C di buona qualità (di spessore di pochi micron) su substrati di 6H (o 4H) o consentono di crescere 3C più spesso (da alcune centinaia di micron a qualche millimetro) mantenendo la qualità del seme sottostante.
Non esiste un concorrente a livello internazionale che usa tecniche simili, e ciò significa che l’Europa è avanti in questo campo specifico e può giocare un ruolo di rilievo.
Strato epitassiale di 3C-SiC altamente difettoso cresciuto su un seme di 6H-SiC
Strato epitassiale di 3C-SiC di alta qualità cresciuto su un seme di 6H-SiC
Obiettivi di MANSiC

Il consorzio MANSiC riunisce gruppi che sviluppano queste nuove tecniche di crescita e altri laboratori europei con una esperienza internazionale riconosciuta di ricerca sul SiC per applicazioni nel campo dell’elettronica. Questo sforzo congiunto potrebbe permettere lo sviluppo di un fornitore commerciale di cristalli di 3C-SiC in Europa, con una qualità cristallina migliore dei prodotti attualmente presenti in commercio. Tale materiale dovrebbe prima essere caratterizzato e testato (dalla pulitura della superficie alla fabbricazione dei dispositivi) con lo scopo di fabbricare e migliorare dispositivi elettronici innovativi.

Questo complesso progetto di ricerca è una eccellente base per assemblare un progetto di addestramento di giovani ricercatori nel campo della fisica dello stato solido e della scienza dei materiali. Studenti di dottorato e giovani ricercatori verranno addestrati in vari campi: dalle nuove tecniche di crescita, alla caratterizzazione di semiconduttori e alla fabbricazione di dispositivi elettronici. Saranno organizzati workshops e scuole per fornire ai giovani ricercatori le basi di conoscenza scientifica essenziali e dar loro l’opportunità di presentare il loro lavoro ed i risultati alla comunità scientifica.
Top of the page >>