Dispositivi di potenza su substrati in SiC

La conduttività termica superiore del substrato in SiC e la sua resistenza alle alte temperature e alle correnti elevate lo rendono una scelta eccellente come materiale per i dispositivi di potenza; i costi relativi a questo materiale, che rappresentano il 40%-50% del costo finale del die, consentono di realizzare dei risparmi. Tuttavia, tali risparmi devono derivare esclusivamente dai costi dei materiali; ulteriori risparmi devono essere ottenuti in altri ambiti.

Soitec ha fatto scalpore al CS International 2023 presentando il suo rivoluzionario processo SmartSiC, che consiste nell’unione permanente di wafer donatori in mono-SiC a substrati di supporto in poli-SiC.

Dispositivi di potenza ad alte prestazioni

I semiconduttori di potenza a base di SiC rappresentano una soluzione fondamentale per migliorare l'efficienza energetica nei veicoli elettrici (EV), nelle turbine eoliche e in molte altre applicazioni. Riducendo le perdite dei dispositivi, i semiconduttori di potenza in SiC consentono di raggiungere frequenze di commutazione e tensioni più elevate, riducendo al contempo la dissipazione termica. Grazie all’elevata stabilità alle alte temperature e alle basse concentrazioni di portatori di carica, garantiscono la massima durata in condizioni ambientali estreme; inoltre, l’ampio bandgap li protegge dai campi elettrici di rottura.

Storicamente, grandi aziende come Infineon Technologies, Wolfspeed e Onsemi hanno dominato il mercato dei dispositivi di potenza in SiC; tuttavia, con l’affermarsi dei veicoli elettrici (EV), i consumatori hanno manifestato una crescente richiesta di componenti dalle prestazioni più elevate, più compatti ed efficienti rispetto ai componenti convenzionali in silicio.

I produttori hanno bisogno di dispositivi di potenza in SiC migliori e più resistenti per soddisfare la domanda, il che richiede nuovi tipi di substrati in p-SiC. I substrati ingegnerizzati per l’elettronica di potenza hanno visto crescere il proprio mercato grazie a questa tendenza; tali substrati combinano un wafer di base in poli-SiC con uno strato superiore in mono-SiC e un sottile strato di materiale isolante, e sono disponibili in formati da 150 mm e 200 mm.

Questi substrati ingegnerizzati utilizzano una tecnologia simile a quella SOI. Il processo consiste nell’unire uno strato di base in poli-SiC con uno strato superiore in mono-SiC; in genere si tratta di 4H-SiC monocristallino incollato a un wafer di supporto per la produzione su larga scala, in modo da soddisfare le specifiche previste in termini di resistività elettrica, conduttività termica e ripetibilità.

Veicoli elettrici

L'elettronica di potenza al carburo di silicio (SiC) è da tempo impiegata nei veicoli elettrici (EV) per aumentare l'efficienza, migliorare le prestazioni, estendere l'autonomia e ridurre i tempi di ricarica, consentendo al contempo di risparmiare energia e ridurre le emissioni di gas serra. Grazie alle proprietà superiori del materiale e alla natura di semiconduttore a banda proibita ampia, i convertitori in SiC svolgono un ruolo cruciale nel garantire un risparmio energetico e nel ridurre le emissioni di gas serra.

Tuttavia, fino a poco tempo fa la crescita del mercato dei veicoli elettrici era stata frenata dalla scarsa disponibilità e dai costi elevati associati ai dispositivi in SiC. Uno dei principali fattori che contribuiscono a tali costi è rappresentato dai requisiti dei substrati: questi devono fornire strati di semina adeguati per la crescita epitassiale, oltre a ridurre la resistenza nei dispositivi; i substrati tradizionali, spesso depositati su wafer isolanti, presentano spesso una resistenza eccessiva che limita le prestazioni dei dispositivi di potenza.

I substrati SmartSiC consentono un notevole risparmio sui costi grazie alla lavorazione su singolo wafer e sono più affidabili e resistenti rispetto ai substrati mono-SiC, che possono rompersi durante la lavorazione del wafer. Inoltre, questo tipo di substrato è più compatibile con i processi di metallizzazione dei dispositivi ad alta velocità.

Le case automobilistiche e i fornitori di primo livello alla ricerca di SmartSiC a bassa resistenza dovrebbero collaborare con un fornitore integrato verticalmente, in grado di gestire ogni fase della produzione, dalla crescita del substrato grezzo alla fabbricazione dei dispositivi finiti, al fine di garantire risultati di alta qualità che evitino il rimpallo di responsabilità tra i diversi fornitori in caso di eventuali problemi.

Inverter solari

Gli inverter solari servono a collegare le fonti di energia rinnovabile alla rete elettrica. Convertono l’energia solare in corrente continua (CC) in corrente alternata (CA) affinché possa essere utilizzata dalle linee di trasmissione di un’azienda elettrica, eliminando i trasformatori che occupano spazio e consumano energia e consentendo così un risparmio sia in termini economici che di spazio. Inoltre, i sistemi di accumulo a batteria consentono un utilizzo più efficiente delle energie rinnovabili, distribuendo al contempo l’energia pulita in modo più uniforme all’interno della società.

I dispositivi al silicio (Si), come gli IGBT, sono attualmente utilizzati negli inverter fotovoltaici; tuttavia, le loro prestazioni raggiungono il limite alle frequenze di commutazione più elevate e presentano elevate perdite di spegnimento. Per ovviare a questi problemi, i produttori ricorrono sempre più spesso ai semiconduttori al carburo di silicio (SiC).

I FET al SiC vantano ampi bandgap che riducono significativamente lo spreco di energia durante gli eventi di commutazione, rendendoli ideali per gli inverter solari che operano tipicamente a frequenze e tensioni più elevate. Inoltre, la loro bassa resistenza allo stato conduttivo consente loro di raggiungere elevate efficienze anche in presenza di correnti di commutazione più elevate.

Di conseguenza, possono contribuire a ridurre i costi associati agli inverter solari. Una tipica soluzione di inverter di stringa fotovoltaico da 1500 V di Infineon, dotata di MOSFET in SiC con limitazione attiva del punto neutro (ANPC), opera a 48 kHz ed è dal 5 al 10% più economica, in termini di costo per kW, rispetto a soluzioni comparabili che utilizzano IGBT.

Turbine eoliche

Le turbine eoliche trasformano il vento in energia elettrica tramite un rotore meccanico che gira quando viene azionato dal flusso d'aria. Questo movimento viene poi trasmesso all'albero di un generatore elettrico che produce energia. Nella parte superiore di ogni torre si trova la navicella, che ospita altri componenti principali, tra cui i sistemi di trasmissione, l'elettronica di potenza e un'interfaccia per il collegamento alla rete elettrica.

I substrati in carburo di silicio (SiC) offrono ai dispositivi semiconduttori di potenza utilizzati in questi sistemi un vantaggio significativo. Il loro ampio gap energetico consente di utilizzare tensioni più elevate, contribuendo a ridurre le perdite delle apparecchiature e ad aumentare l'efficienza, mentre la loro eccellente conduttività termica riduce le dimensioni dei componenti e le temperature di esercizio, consentendo di realizzare progetti compatti con una maggiore efficienza energetica.

Il SiC sta favorendo il progresso nel settore delle installazioni di energia verde, quali gli inverter solari e i convertitori per turbine eoliche, che sostengono la transizione globale verso fonti energetiche rinnovabili. Questi sistemi sono fondamentali per lo sforzo globale volto ad abbandonare la dipendenza dai combustibili fossili.

L'applicazione del SiC come materiale per semiconduttori di potenza è stata a lungo limitata a causa di problemi legati alla disponibilità e ai costi. Tuttavia, ora che diversi fornitori stanno aumentando la propria capacità produttiva in un contesto di transizione verso wafer di dimensioni sempre più grandi, che si sta rivelando sempre più impegnativa, e che produttori come Soitec offrono prodotti privi di microtubi, il futuro dei semiconduttori di potenza in SiC appare promettente.