Sustratos de carburo de silicio para electrónica de potencia

El carburo de silicio (SiC) es un cristal mineral industrial sólido con propiedades cerámicas y semiconductoras. Se puede colorear utilizando diversas impurezas como nitrógeno y aluminio.

El carburo de silicio es un material ideal para espejos de telescopios astronómicos de alta resolución. Además, el carburo de silicio también se utiliza en diodos de potencia, transistores de potencia y dispositivos de microondas de alta potencia.

Aplicaciones de alta tensión

El carburo de silicio se ha convertido rápidamente en un material de referencia para aplicaciones electrónicas de alta tensión. Gracias a su amplia banda prohibida y a sus mayores densidades de corriente que los semiconductores de silicio estándar, el carburo de silicio puede manejar densidades de corriente mucho mayores, lo que lo hace adecuado para más aplicaciones que su homólogo de silicio. Además, la capacidad del carburo de silicio para soportar temperaturas de funcionamiento más elevadas lo hace perfecto para los convertidores CC/CC de los vehículos eléctricos.

Los sustratos de carburo de silicio ofrecen una baja resistencia en ON que les permite reducir la inductancia parásita, lo que mejora la eficiencia y fiabilidad de los circuitos y reduce las pérdidas de potencia del sistema y el tamaño de la placa de circuito impreso. Su resistencia a los choques térmicos también reduce los daños en la placa de circuito impreso provocados por los cambios bruscos de temperatura, mientras que su dureza permite una refrigeración más eficaz, lo que reduce las necesidades de espacio para disipadores térmicos.

Uno de los componentes clave del rendimiento de los LED es su sustrato. La calidad de su construcción determina el color, el brillo y la vida útil, lo que influye en las características del dispositivo, como la reproducción cromática o la vida útil. Los sustratos de carburo de silicio ofrecen unas condiciones óptimas gracias a su elevada temperatura límite de funcionamiento y su pequeño desajuste reticular con respecto al nitruro de galio, lo que los convierte en el material preferido para la producción de LED. Además, el estado de la superficie también desempeña un papel fundamental, ya que influye en la calidad de la epitaxia y en las características del dispositivo.

Dado que el carburo de silicio es tan escaso en la naturaleza, debe sintetizarse artificialmente mediante síntesis artificial. Para garantizar la calidad de los resultados de este proceso, primero hay que sublimar la materia prima a temperaturas muy elevadas antes de que unas cuchillas con punta de diamante corten los cristales en obleas que luego se pulirán para obtener un acabado superficial liso.

Los politímeros cúbicos de carburo de silicio son un candidato atractivo para los dispositivos de accionamiento de motores eléctricos, ya que son alternativas rentables a los hexagonales y pueden cultivarse en sustratos de silicio baratos. Por desgracia, su interfaz SiC/SiO2 puede inducir tensiones y aumentar la densidad de defectos que afectan al comportamiento del dispositivo, como la inestabilidad del voltaje umbral o una excesiva capacitancia superficial que reduce la corriente de accionamiento o la velocidad de conmutación; afortunadamente, sin embargo, los científicos han desarrollado técnicas para mitigar estos efectos secundarios negativos.

Baja resistencia a la conexión

El carburo de silicio (SiC) suele ser un aislante; sin embargo, cuando se trata con dopantes como impurezas de aluminio, galio, boro o nitrógeno, se convierte en un material semiconductor activo que presenta ciertas características deseables. Los dopantes pueden convertir el SiC en un material de tipo P, mientras que las impurezas como el nitrógeno y el fósforo le confieren propiedades de tipo N para su uso en la creación de diversos dispositivos semiconductores capaces de conducir electricidad a través de una amplia gama de temperaturas, voltajes y densidades de corriente.

Los semiconductores de banda prohibida ancha, como los diodos y transistores de SiC, ofrecen varias ventajas claras en las aplicaciones de electrónica de potencia, en particular su capacidad para soportar temperaturas y tensiones más altas, lo que elimina la necesidad de sistemas de refrigeración extensivos al tiempo que aumenta la eficiencia y aumenta la fiabilidad. Además, los semiconductores de banda prohibida ancha tienden a experimentar menores pérdidas de energía durante su funcionamiento, lo que reduce el calentamiento Joule al tiempo que mejora la fiabilidad operativa.

El SiC tiene muchas ventajas sobre el silicio en términos de resistencia ON, especialmente en las regiones de bloqueo de tensión de los dispositivos. Esto se debe, en parte, a que su sustrato presenta una intensidad de campo eléctrico de ruptura crítica extremadamente alta, de 2,8 megavoltios por centímetro, lo que permite utilizar capas de bloqueo de tensión más finas.

Esto significa que el dispositivo ofrecerá una menor resistencia a la conexión y velocidades de conmutación más rápidas para ayudar a minimizar las pérdidas de energía. Además, la elevada tasa de deriva de saturación de los sustratos de SiC facilita que los portadores cambien de estado con mayor facilidad, lo que reduce aún más la resistencia en ON.

La baja resistencia del SiC ayuda a aumentar la eficiencia global de los dispositivos de potencia, ya que permite diseños más pequeños y compactos que proporcionan una mayor eficiencia energética, un aspecto que resultará muy valioso cuando se utilice para sistemas de carga de vehículos eléctricos y proyectos de energías renovables.

Las características superiores del carburo de silicio han propulsado su ascenso como una excelente opción para su uso en aplicaciones de electrónica de potencia, incluidos los convertidores y otros sistemas de tecnología avanzada. Gracias a su resistencia superior a la temperatura, su tolerancia a la alta tensión y su baja resistencia al encendido, el carburo de silicio es un candidato excelente para convertidores de potencia de alta eficacia y otros sistemas de vanguardia. Si desea más información sobre cómo puede ayudarle el carburo de silicio en su próximo proyecto, póngase en contacto con nuestro equipo de expertos.

Alta conductividad térmica

Los sustratos de carburo de silicio presentan una elevada conductividad térmica, lo que los convierte en el material ideal para aplicaciones de alta tensión. Además, su menor coeficiente de dilatación térmica que el de otros materiales semiconductores les permite soportar temperaturas y tensiones más elevadas sin dañar el dispositivo, una característica esencial a la hora de seleccionar materiales semiconductores para dispositivos de elevación superior de vehículos electrónicos (eVTOL) que exigen semiconductores de alto rendimiento.

El silicio es el material semiconductor predominante en la actualidad, pero sus propiedades no satisfacen todas las demandas de aplicaciones específicas. El carburo de silicio es uno de los pocos materiales capaces de soportar tensiones y corrientes superiores a las del silicio. Además, presenta brechas de banda más anchas y campos eléctricos críticos mayores que su homólogo, cualidades que lo hacen adecuado para la electrónica de potencia, que a menudo presenta condiciones de alta tensión/corriente.

El carburo de silicio destaca entre las cerámicas por tener un coeficiente de dilatación térmica excepcionalmente bajo, lo que significa que puede soportar fluctuaciones tanto de temperatura como de humedad sin dilatarse excesivamente. Así pues, el carburo de silicio es un material ideal para aplicaciones aeroespaciales por su resistencia a los cambios de temperatura y humedad. Además, su durabilidad significa que resiste la corrosión, la oxidación y una alta resistencia a la flexión, soportando choques, vibraciones, así como siendo impermeable a los ácidos o lejías que puedan aparecer en su camino.

El aluminio también tiene una gran dureza, lo que lo convierte en un material ideal para fabricar componentes de maquinaria como toberas, cojinetes de alta temperatura y placas antibalas. Material de construcción por su ligereza, rigidez y características térmicas. Además, su módulo de Young le permite soportar la erosión por abrasión y el desgaste por fricción durante décadas sin sufrir daños ni problemas de desgaste.

El carburo de silicio se presenta en muchas variedades en función de su estructura y composición, con planos cúbicos de blenda de zinc (3C), hexagonales (6H), o planos bidimensionales cerrados apilados perpendicularmente a partir de ellos formando diferentes politípos de SiC. Es muy común verlo en entornos de fabricación de microelectrónica como sustratos de epitaxia, así como sustratos de fijación, metalización o pasivación de matrices, entre otros usos.

El carburo de silicio (SiC) puede producirse mediante deposición química en fase vapor (CVD) a partir de polvo de SiC, que es un material cristalino de color blanco grisáceo. Durante el crecimiento pueden añadirse distintas concentraciones de dopante para ajustar las características eléctricas de la oblea final. La microscopía de resistencia de barrido sirve para detectar los niveles de dopante midiendo la distribución de los dopantes nitrogenados en su superficie, una técnica eficaz para evaluar la calidad de los procesos de CVD y detectar defectos.

Amplia gama de aplicaciones

El carburo de silicio es un sustrato ideal para aplicaciones de electrónica de potencia, ya que puede soportar altas temperaturas y tensiones, al tiempo que ofrece mejor resistencia a la radiación que otros materiales semiconductores. El carburo de silicio es especialmente adecuado para aplicaciones eVTOL que exigen un rendimiento y una fiabilidad superiores; no obstante, otras aplicaciones con entornos adversos también recurren a su uso.

Los sustratos de SiC se presentan en diversas formas y tamaños, lo que los convierte en la solución perfecta para muchos sistemas eVTOL. Además, pueden fabricarse de forma más eficiente, con menor caída de tensión directa y menor riesgo de desbocamiento térmico que otros dispositivos electrónicos de potencia, lo que aumenta su fiabilidad y eficiencia frente a otras formas de dispositivos electrónicos de potencia.

El carburo de silicio se diferencia de su homólogo en el silicio por ser más adaptable y fluido en sus niveles de energía, lo que le permite cambiar entre aislante y conductor dependiendo de las circunstancias, haciéndolo vital en la fabricación de transistores, los componentes básicos de la electrónica moderna. Además, el carburo de silicio tiene una banda prohibida mayor que la del silicio, lo que le permite soportar campos eléctricos 10 veces superiores a los del silicio.

La moissanita es un material que se encuentra en la naturaleza, aunque gran parte de su producción se realiza sintéticamente. Aunque existen pequeñas cantidades en meteoritos y depósitos de corindón, la moissanita es más accesible que el diamante y una alternativa atractiva a las costosas piedras preciosas. La moissanita puede utilizarse para la impresión 3D, aplicaciones balísticas, procesos de producción química, aplicaciones de tecnología energética, así como para sustituir al metal en la tecnología de sellado dinámico para bombas y sistemas de accionamiento.

El carburo de silicio de tres C es un material ideal para fabricar dispositivos electrónicos de alta temperatura y potencia. Su crecimiento de tipo poli cúbico puede realizarse fácilmente en sustratos de silicio baratos, mientras que sus propiedades le permiten soportar los entornos de alta temperatura típicos de muchas aplicaciones.

Por fin ha sido posible producir por primera vez obleas epitaxiales de carburo de silicio de tres componentes con un grosor de 300 mm, un hito importante hacia la comercialización de este material. El proceso fue iniciado por investigadores de la Queensland Micro and Nanotechnology Facility (QMF) de la Universidad de Griffith, con SPTS Technologies como socio industrial.