Cree presenta i MOSFET di potenza al carburo di silicio

Cree, un tempo nota soprattutto per le sue luci a LED, ha ora concentrato la propria attenzione esclusivamente sui semiconduttori a banda larga in carburo di silicio e nitruro di gallio. [1]

Il fornitore di materiali e produttore di chip con sede a Durham offre ora in commercio substrati in SiC da 4 pollici e materiale per l'epitassia, sulla base delle ricerche finanziate dall'Aeronautica Militare. Il loro formato più ampio consente di raddoppiare il numero di dispositivi per wafer rispetto alle versioni da 3 pollici.

Alta tensione

Cree, azienda nota per i semiconduttori specializzati a ampio bandgap (SiC), ha recentemente presentato il suo primo MOSFET di potenza in carburo di silicio. Appartenente alla famiglia di dispositivi di potenza Wolfspeed, questo MOSFET vanta un’elevata tensione di blocco e minori perdite di commutazione, garantendo una maggiore efficienza energetica e dimensioni più ridotte.

I dispositivi al silicio non sono in grado di funzionare in modo affidabile a temperature elevate e a frequenze fino a cinque volte superiori, con minori perdite di commutazione, il che li rende adatti ad applicazioni più esigenti quali veicoli elettrici (EV), caricabatterie di bordo, convertitori buck e inverter di trazione principali che richiedono tensioni di blocco elevate per trasferire in sicurezza l'energia dalla batteria alle ruote.

John Palmour, CTO di Cree/Wolfspeed, illustra le differenze tra il silicio e il SiC, spiega perché entrambi i materiali vengono utilizzati nei nuovi progetti di elettronica di potenza e indica quali potrebbero essere le applicazioni future.

Cree e SUNY Poly sono partner del Mohawk Valley Fab, un ambizioso progetto da $5 miliardi che diventerà il più grande polo produttivo al mondo dedicato ai materiali in carburo di silicio. Il polo produrrà wafer in SiC utilizzati da altre aziende che realizzano dispositivi di elettronica di potenza in grado di convertire l’energia immagazzinata nelle batterie in elettricità; consentendoci, in ultima analisi, di abbandonare i combustibili fossili a favore di economie basate sull’energia pulita, come i veicoli elettrici con capacità di ricarica rapida e i caricabatterie di bordo utilizzati da questi veicoli, i convertitori boost e PFC impiegati nei data center, gli azionamenti per motori industriali e le infrastrutture wireless 5G.

Corrente elevata

I dispositivi in carburo di silicio presentano un bandgap più ampio che consente loro di funzionare a tensioni, livelli di potenza e frequenze rispetto ai loro omologhi in silicio (Si), consentendo la realizzazione di componenti più piccoli, più leggeri e più efficienti dal punto di vista energetico – riducendo sia i costi che la dissipazione di calore, aumentando al contempo l’efficienza grazie a commutazioni rapide ad alte temperature e velocità e diminuendo l’inquinamento acustico senza la necessità di ventole.

Le elevate tensioni di blocco del carburo di silicio lo rendono una scelta eccellente per le applicazioni di commutazione di potenza, come i MOSFET e i diodi con un’intensità di campo di rottura superiore che consente loro di commutare a frequenze fino a tre volte superiori rispetto ai dispositivi al silicio disponibili in commercio, rendendo i dispositivi di potenza in SiC perfetti per azionamenti di motori industriali, convertitori CA/CC per data center, PFC (correzione del fattore di potenza), circuiti di conversione CC/CC boost/buck, perforazione in pozzo per l’industria petrolchimica, nonché per applicazioni relative a veicoli ibridi ed elettrici.

Dopo anni di successi nella produzione di illuminazione a LED, Cree ha cambiato orientamento e, nel 2022, ha inaugurato a Chatham County, nei pressi della NC State, il primo e più grande impianto al mondo di Wolfspeed per la produzione di semiconduttori di potenza da 200 mm. L’obiettivo è produrre wafer in carburo di silicio in grado di migliorare significativamente l’efficienza energetica – riducendo potenzialmente il consumo di elettricità e le emissioni fino al 50% – il che consentirebbe lo sviluppo di fonti di energia pulita e sostenibile quali i veicoli elettrici con i relativi caricabatterie, le infrastrutture wireless 5G, le energie rinnovabili e lo stoccaggio di energia, per passare dai combustibili fossili a forme più sostenibili quali le auto elettriche con i relativi caricabatterie, le infrastrutture wireless 5G e le capacità di accumulo di energia – essenziali per la transizione dai combustibili fossili a forme sostenibili come i veicoli elettrici con i relativi caricabatterie, come passo verso fonti di energia pulita e sostenibile quali i veicoli elettrici e i relativi caricabatterie, mentre il mondo passa dai combustibili fossili a fonti rinnovabili come i veicoli elettrici dotati di capacità di accumulo di energia, al fine di raggiungere nel tempo l’indipendenza energetica.

Alta temperatura

Il carburo di silicio è un materiale versatile, in grado di funzionare in un ampio intervallo di temperature. Ciò lo rende utile in applicazioni che prevedono l’uso di componenti elettronici ad alta tensione e corrente, come i dispositivi a semiconduttori che devono resistere a condizioni estreme – il carburo di silicio è in grado di farlo anche a temperature superiori rispetto ai semiconduttori convenzionali al silicio, rendendolo un eccellente sostituto nei transistor di potenza che controllano il flusso di elettricità nei circuiti elettrici – funzionando a livelli di tensione e potenza molto più elevati pur essendo più piccoli e richiedendo meno raffreddamento rispetto alle loro controparti in silicio.

Il carburo di silicio offre numerosi vantaggi distintivi che lo rendono un materiale idoneo per l’elettronica di potenza e le applicazioni RF, compresi i dispositivi a semiconduttori a media tensione (da 3,3 kV a 10 kV) e ad alta tensione (da 2 kV a 15 kV). Cree/Wolfspeed ha sviluppato diverse tecnologie per dispositivi di potenza in SiC, con applicazioni a media tensione (da 3,3 kV a 10 kV) e ad alta tensione (da 2 kV a 15 kV) attualmente in fase di sviluppo; la collaborazione con PowerAmerica, uno dei 14 istituti di produzione finanziati dal Dipartimento dell’Energia (DOE), ha accelerato lo sviluppo e i test di affidabilità dei propri prodotti a semiconduttori di potenza in SiC.

I 36 anni di esperienza di Cree/Wolfspeed nel campo del carburo di silicio e del suo materiale successore, il nitruro di gallio (GaN), uniti al suo portafoglio tecnologico integrato verticalmente che spazia dai wafer all’epitassia, fino ai dispositivi di potenza e RF, rendono possibile questa previsione.

Bassa dispersione

Il carburo di silicio vanta una corrente di dispersione eccezionalmente bassa (inferiore a 1 A) rispetto ad altri dispositivi semiconduttori di potenza, riducendo così il rischio di malfunzionamenti o guasti del sistema e rendendolo ideale per dispositivi elettronici di potenza ad alta efficienza che operano a temperature estreme o in ambienti difficili.

I cristalli di carburo di silicio sono costituiti da un materiale estremamente duro, resistente agli urti, alle vibrazioni e ai danni da impatto. Questa proprietà rende il carburo di silicio ideale per utensili quali martelli, trapani e seghe che devono resistere a velocità elevate o a pressioni elevate; la sua tenacità lo rende inoltre particolarmente adatto all’uso in lapidaria come abrasivo, mentre le moderne applicazioni in questo campo sfruttano la sua durezza come misura anti-deformazione contro i danni superficiali sui pezzi da lavorare.

I MOSFET e i diodi in SiC aumentano l'efficienza energetica in molti sistemi di elettronica di potenza grazie alla loro tensione di blocco più elevata e alle capacità di commutazione più rapide, rendendoli tre volte più efficienti dal punto di vista energetico rispetto ai dispositivi in silicio disponibili in commercio, con conseguente riduzione dei costi, risparmio di peso e maggiore risparmio di spazio per i progettisti.

Wolfspeed (all’epoca nota come Cree) ha annunciato un importante accordo di partnership con General Motors per la fornitura, a partire dal 2022, di chip in carburo di silicio provenienti dallo stabilimento produttivo di Wolfspeed destinati ai veicoli elettrici dell’azienda, affermandosi così come attore chiave in un momento in cui le ambizioni nel settore dei veicoli elettrici stanno crescendo in modo significativo. Wolfspeed ha inoltre dichiarato di voler potenziare la capacità produttiva dello stabilimento per la produzione di wafer da 200 mm, al fine di far fronte a tali ordini.