Low temperature synthesis of beta-SiC

The semiconductor industry has traditionally relied on silicon-based technologies, yet as demand rises for higher efficiency and performance, especially with advancements in artificial intelligence and power systems, silicon's limitations have become increasingly evident. Silicon carbide (SiC) has emerged as a promising material due to its superior thermal conductivity, wide bandgap, and high-temperature resilience, which are well-suited for power electronics applications. This thesis contributes to Project “Transform,” a European initiative aimed at developing a competitive SiC supply chain for power electronics, especially in renewable energy and the automotive sector. To date, various methods for synthesizing SiC have been identified and applied to technological objectives. SmartCut technology has emerged as a promising approach for fast and efficient SiC wafer fabrication. Traditionally, CVD method is used to produce handle wafers, which are time and energy consuming process. As an alternative, Saint-Gobain, is working on sintered poly-SiC handle wafers. This thesis contributes to this goal by exploring the synthesis and sintering of high-purity, n-doped SiC powder to create low-resistivity wafers for electronic applications. Key steps include optimizing raw material selection, minimizing impurities, and refining the synthesis process to achieve β-SiC with a nitrogen doping level of approximately 0.7%. The synthesized SiC powder achieved an impurity level of 0.1%, representing an 86% reduction compared to commercial powders, which enhances its suitability for electronic applications. The powder exhibited challenges with porosity and agglomeration were mitigated through targeted de-agglomeration processes. Sintering was performed using pressureless and spark plasma sintering (SPS) techniques, achieving a low resistivity of about 20 mΩ·cm in the final product. This thesis documents the successful fabrication of a sintered, n-doped SiC handle wafer prototype with the desired electrical properties, supporting further integration of SiC technology in advanced power electronics. Overall, this research offers valuable insights into the field of new material synthesis and processing for electronic applications for high power devices. The as-synthesized powder is comparable with the wafer prepared with commercial powder. Also sintered poly-SiC wafer can be a suitable substrate material for efficient wafer fabrication. In future, this work can be further focused on the densification of the sintered wafer with some additive or variation in sintering parameter such as temperature and pressure.

L'industria dei semiconduttori ha tradizionalmente fatto affidamento su tecnologie basate sul silicio, ma con l'aumento della domanda di maggiore efficienza e prestazioni, soprattutto con i progressi nell'intelligenza artificiale e nei sistemi di alimentazione, i limiti del silicio sono diventati sempre più evidenti. Il carburo di silicio (SiC) è emerso come un materiale promettente grazie alla sua conduttività termica superiore, all'ampio bandgap e alla resilienza alle alte temperature, che sono adatti per applicazioni di elettronica di potenza. Questa tesi contribuisce al progetto "Transform", un'iniziativa europea volta a sviluppare una filiera competitiva di SiC per l'elettronica di potenza, in particolare nel settore delle energie rinnovabili e automobilistico. Ad oggi, sono stati identificati e applicati vari metodi per la sintesi di SiC a obiettivi tecnologici. La tecnologia SmartCut è emersa come un approccio promettente per la fabbricazione rapida ed efficiente di wafer SiC. Tradizionalmente, il metodo CVD viene utilizzato per produrre wafer di impugnatura, che sono un processo che richiede tempo ed energia. In alternativa, Saint-Gobain sta lavorando su wafer di impugnatura in poli-SiC sinterizzato. Questa tesi contribuisce a questo obiettivo esplorando la sintesi e la sinterizzazione di polvere di SiC ad alta purezza e drogata con n per creare wafer a bassa resistività per applicazioni elettroniche. I passaggi chiave includono l'ottimizzazione della selezione delle materie prime, la riduzione al minimo delle impurità e la raffinazione del processo di sintesi per ottenere β-SiC con un livello di drogaggio con azoto di circa lo 0,7%. La polvere di SiC sintetizzata ha raggiunto un livello di impurità dello 0,1%, che rappresenta una riduzione dell'86% rispetto alle polveri commerciali, il che ne aumenta l'idoneità per applicazioni elettroniche. La polvere ha mostrato sfide con porosità e agglomerazione che sono state mitigate tramite processi di deagglomerazione mirati. La sinterizzazione è stata eseguita utilizzando tecniche di sinterizzazione senza pressione e a plasma a scintilla (SPS), ottenendo una bassa resistività di circa 20 mΩ·cm nel prodotto finale. Questa tesi documenta la fabbricazione di successo di un prototipo di wafer con maniglia in SiC sinterizzato e drogato con n con le proprietà elettriche desiderate, supportando un'ulteriore integrazione della tecnologia SiC nell'elettronica di potenza avanzata. Nel complesso, questa ricerca offre preziose informazioni nel campo della sintesi e dell'elaborazione di nuovi materiali per applicazioni elettroniche per applicazioni ad alta potenza. La polvere così sintetizzata è paragonabile al wafer preparato con polvere commerciale. Anche il wafer in poli-SiC sinterizzato può essere un materiale di substrato adatto per una fabbricazione efficiente del wafer. In futuro, questo lavoro può essere ulteriormente focalizzato sulla densificazione del wafer sinterizzato con qualche additivo o variazione nei parametri di sinterizzazione come temperatura e pressione.