Por qué el carburo de silicio es el material preferido para la electrónica de potencia y las aplicaciones aeroespaciales

El carburo de silicio (SiC) es uno de los semiconductores de banda ancha más importantes del mundo, elegido a menudo para su uso en electrónica de potencia y aplicaciones aeroespaciales que exigen un rendimiento robusto. Gracias a su alta tensión de ruptura, sus propiedades aislantes y su eficiente conductividad térmica, el SiC ofrece una gestión superior de la energía.

Las impurezas desempeñan un papel esencial en la conformación de las propiedades eléctricas y ópticas del SiC. Los cálculos de energía de formación de primeros principios proporcionan información clave sobre los atributos de las impurezas, como la preferencia de sitio, la distorsión de la red, la solubilidad, etc.

Propiedades eléctricas

El carburo de silicio (SiC) es un avanzado material semiconductor de banda ancha que se ha convertido rápidamente en la columna vertebral de los dispositivos electrónicos de potencia. Gracias a sus características superiores de movilidad de electrones y velocidad de saturación de electrones, el SiC permite un funcionamiento eficaz a tensiones y temperaturas elevadas que superan con creces las capacidades de los dispositivos de silicio convencionales. Por ello, el SiC es un material idóneo cuando se requiere un rendimiento sólido en entornos operativos difíciles, como los vehículos eléctricos, los sistemas de energías renovables o las aplicaciones electrónicas aeroespaciales.

El dopaje del 4H-SiC para adaptar sus propiedades eléctricas a estas aplicaciones requiere alterar sus propiedades eléctricas mediante un proceso denominado dopaje. El dopaje es un paso integral en la producción de diodos de barrera Schottky (SBD), que ofrecen varias ventajas sobre los dispositivos semiconductores convencionales, como la velocidad de conmutación ultrarrápida y la baja corriente de fuga inversa. Por desgracia, al tratarse de un material tan aislante, el proceso de dopaje puede resultar complicado.

Un nuevo estudio en el que se emplean cálculos automatizados de energía de formación de primeros principios pretende aliviar la complejidad asociada al dopaje del 4H-SiC. Con este fin, crearon una base de datos de diagramas de formación-energía para los iones de impureza que se encuentran en los politípos 2H y 3H del SiC, proporcionando detalles sobre sus preferencias de sitio, niveles de distorsión de la red, características de solubilidad y niveles de transición de carga, información que ayudará a los diseñadores de esquemas de dopaje a medida para optimizar las propiedades eléctricas del 4H-SiC.

Determinar qué tipo de SiC satisface mejor las demandas de una aplicación en términos de rendimiento eléctrico, térmico y mecánico depende de sus demandas individuales de rendimiento eléctrico, térmico y mecánico. Mientras que el 4H-SiC puede ser ideal para dispositivos de potencia, el 6H-SiC sobresale cuando la emisión de luz y la resistencia mecánica son criterios clave.

Las estructuras cristalinas de cada polipo difieren ligeramente, pero sus propiedades físicas siguen siendo similares. Ambos tipos comparten una estructura cristalina hexagonal; sin embargo, el 4H-SiC presenta una secuencia de apilamiento ABCB frente a la ABABAB del 6H-SiC, lo que da lugar a variaciones en su simetría y constantes de red que, en última instancia, alteran las propiedades físicas de ambos tipos.

La conductividad térmica del 6H-SiC difiere ligeramente de la del 4H-SiC, pero sigue siendo superior a la del silicio, lo que proporciona una disipación térmica superior, una característica esencial para mantener la estabilidad y longevidad de los dispositivos en aplicaciones que implican un alto estrés operativo. Además, su resistencia y dureza inherentes hacen que este material sea ideal para la electrónica resistente a la radiación, ya que su resiliencia desempeña un papel fundamental.

Propiedades térmicas

El carburo de silicio (SiC) es un semiconductor covalente con una estructura intercalada compuesta por átomos de carbono y silicio. Los patrones reticulares varían entre sus politípos 3C, 4H y 6H para producir diferentes propiedades físicas y eléctricas.

El polietileno 6H-SiC es un material ideal para fabricar dispositivos optoelectrónicos, gracias a su gran banda prohibida que hace posibles dispositivos emisores de luz como los LED azules y los fotodetectores UV. Además, sus sólidas propiedades mecánicas, como la tenacidad a la fractura y la resistencia al desgaste, lo hacen idóneo para dispositivos mecánicos como herramientas de corte y componentes de turbinas.

El 4H-SiC está ampliamente considerado como uno de los materiales ideales para la electrónica de alta potencia y los dispositivos de potencia de alta frecuencia debido a su amplio bandgap, su excelente tensión de ruptura, su baja densidad de defectos y su conductividad térmica superior. Además, su compatibilidad con otros materiales semiconductores como el nitruro de galio (GaN) amplía aún más sus aplicaciones.

Las impurezas desempeñan un papel esencial en la conformación de las propiedades eléctricas, ópticas y mecánicas del carburo de silicio (SiC).1-5 Es necesario un conocimiento profundo de las características de las impurezas, como la preferencia de sitio, la distorsión de la red, la solubilidad, los niveles de transición de carga (CTL) y la preferencia de sitio, para diseñar dispositivos con las características de rendimiento deseadas.

Utilizando cálculos de energía de formación de primeros principios, hemos creado una base de datos exhaustiva de las energías de formación de SiC para varias especies de impurezas en 4H-SiC, ofreciendo una valiosa visión de la energética detrás de la influencia de las impurezas en sus propiedades eléctricas.

Este trabajo ofrece una comprensión cuantitativa de cómo el dopaje por impurezas afecta a las propiedades eléctricas del 4H-SiC. Más concretamente, su metodología de cálculo ofrece un medio para examinar cómo las ubicaciones y la concentración de dopantes afectan a las estructuras de banda electrónica, las características de dispersión de fonones y los niveles de densidad de defectos del SiC.

Este estudio representa un paso importante hacia la creación de un modelo termodinámico más completo del SiC cortado por iones. La consecución de este objetivo permitirá realizar predicciones más precisas y exactas de los daños causados por la irradiación, así como un diseño experimental y una interpretación de los resultados más fundamentados. Además, estos modelos predictivos podrían aplicarse a otros materiales de WBG para garantizar su uso seguro en aplicaciones tecnológicas.

Propiedades mecánicas

Las elevadas propiedades mecánicas del SiC permiten aplicarlo en un amplio espectro de aplicaciones, desde la electrónica de potencia y los sensores que funcionan con fiabilidad en condiciones extremas hasta su uso como material de excelente conductividad térmica. El SiC es un material ideal para dispositivos de potencia de alta frecuencia gracias a su amplia banda prohibida, su alta tensión de ruptura y su baja densidad de defectos, así como a sus excelentes propiedades de conductividad térmica que disipan rápidamente la electricidad, mientras que su resistencia a ácidos y álcalis lo hace adecuado para entornos difíciles.

El 4H-SiC destaca entre los politípos de carburo de silicio porque presenta un módulo elástico especialmente grande, lo que significa que puede soportar tensiones importantes sin sucumbir a la deformación. Esta propiedad hace del 4H-SiC un material excelente para la electrónica de potencia y los componentes de alta temperatura, así como para aplicaciones de automoción, además de ofrecer una excelente resistencia a la fractura y estabilidad térmica para equipos industriales y motores aeronáuticos.

Las impresionantes propiedades mecánicas del 4H-SiC permiten utilizarlo en numerosas aplicaciones de mecanizado de precisión y ultraprecisión, incluidos los métodos químicos y mecánicos de rectificado. Los métodos químicos consisten en grabar la superficie de la oblea y limpiarla con acetona antes de iniciar el rectificado mecánico.

Para explorar el comportamiento mecánico del monocristal de 4H-SiC, se realizaron sistemáticamente varios ensayos de nanoarañazos con cargas variadas utilizando un sistema de nanoindentación equipado con un indentador Berkovich. Los resultados demostraron que las características de eliminación de material y la formación de grietas varían con respecto a diferentes planos, direcciones del penetrador y velocidades de carga normales.

Se realizó un experimento utilizando una oblea de SiC tipo p con una capa epitaxial de 375 nm crecida sobre un sustrato tipo n de 1018 cm-3 de densidad de volumen, utilizando diversas condiciones experimentales y tasas de carga para analizar la morfología de la ranura de rayado bajo observación SEM y FIB. La dirección de avance del borde resultó ser más adecuada que las direcciones de avance de la cara o de la cara lateral porque iniciaba antes la fase de eliminación dúctil, ampliando así el rango de ductilidad, aumentando la maquinabilidad del monocristal de 4H-SiC.

Propiedades químicas

El carburo de silicio (SiC) es un material semiconductor compuesto de silicio y carbono que ofrece excelentes propiedades térmicas, mecánicas y eléctricas para sustituir al silicio en dispositivos semiconductores de alto rendimiento. En particular, el SiC ofrece ventajas que no ofrece el silicio, como una intensidad de campo eléctrico de ruptura 10 veces mayor y huecos de banda más anchos que los de sus competidores.

El SiC se presenta en varias estructuras cristalinas polimórficas conocidas como politípos, cada uno de los cuales posee sus propias características físicas. El 4H-SiC es una de las formas más frecuentes, con una estructura cristalina hexagonal similar a la wurtzita, que se forma a temperaturas superiores a 1.700 ºC y suele preferirse para dispositivos de potencia, ya que su brecha de banda de energía y su tensión de ruptura permiten un funcionamiento eficiente del dispositivo.

El 4H-SiC se distingue de otros politípos de SiC por su elevada concentración de átomos de nitrógeno, lo que lo hace idóneo para fabricar dispositivos semiconductores de tipo "n". Se pueden aplicar diversas técnicas de dopaje al 4H-SiC para inducir el dopaje, como la implantación por haz de iones, la implantación de iones a baja temperatura y la implantación de iones por haz de electrones en caliente, y la mayor parte del dopaje se consigue mediante la implantación en la región de tipo n.

Gracias a su estabilidad a altas temperaturas, el 4H-SiC es un material fantástico para producir componentes electrónicos y sensores de alta temperatura. Esto incluye aplicaciones como amplificadores de RF para estaciones base de telefonía móvil, sistemas de radar y termopares de alta temperatura; además, su elevada conductividad térmica y tensión de ruptura lo hacen idóneo para la producción de electrónica de automoción.

El 4H-SiC es un sustrato ideal para diodos emisores de luz (LED) azules y ultravioletas. Su amplio bandgap permite producir LED con baja densidad de corriente y alta velocidad de saturación, e incluso versiones de alta potencia que pueden instalarse en automóviles, turbinas eólicas o fuentes de alimentación.

La distorsión de la red inducida por impurezas en el 4H-SiC puede ilustrarse mediante la siguiente figura. Las barras azul celeste, azul oscuro y verde representan los niveles de transición de carga en los que las impurezas ocupan sitios de Si, C o intersticiales, respectivamente. El Ge es una de las pocas impurezas de tipo p no activas eléctricamente que pueden introducirse sin aumentar la expansión de la red; el Al y las impurezas del grupo VA, por otro lado, tienen propiedades anfóteras que podrían causar contracción en su lugar.