Semiconduttore al carburo di silicio

Il carburo di silicio (SiC) presenta un grande potenziale per rivoluzionare l'elettronica di potenza e altre applicazioni che richiedono prestazioni elevate in condizioni ambientali estreme; tuttavia, la sua capacità di resistere alle alte temperature pone sfide uniche che devono essere affrontate con determinazione.

Il SiC è noto per le sue eccezionali proprietà, che richiedono tecniche di produzione avanzate per sfruttarne appieno il potenziale. Ciò comporta l’ottimizzazione della crescita cristallina al fine di ridurre al minimo i difetti estesi e i politipi estranei.

1. Elevata conduttività elettrica

Il SiC presenta una conduttività elettrica superiore a quella del silicio, il che consente campi di rottura più elevati e una resistenza allo stato conduttivo inferiore. Ciò riduce le perdite di commutazione e le perdite di potenza, migliorando al contempo l’efficienza complessiva del sistema. Le prestazioni superiori del SiC lo rendono inoltre ideale per l’impiego in contesti ad alta tensione, come gli inverter dei veicoli elettrici (EV), dove la sua resistenza al degrado termico e l’elevata intensità del campo di rottura aumentano l’autonomia e migliorano l’affidabilità.

La maggiore tolleranza al disallineamento reticolare del SiC, la maggiore intensità del campo elettrico di rottura e le migliori proprietà di trasporto lo rendono un candidato eccellente per dispositivi di potenza quali i diodi a barriera di Schottky e i MOSFET. Le prestazioni superiori del SiC consentono inoltre a tali dispositivi di funzionare a temperature di giunzione più elevate, garantendo una resistenza allo stato conduttivo ridotta e una maggiore densità di potenza.

I semiconduttori di potenza in SiC stanno riscuotendo un crescente riconoscimento grazie alla loro capacità di ridurre le perdite di commutazione, aumentare la densità di potenza e sopportare elevate densità di corrente, il che li rende componenti molto apprezzati nei veicoli elettrici. La loro comprovata efficacia nel ridurre le perdite di conversione e dell’inverter consente di estendere l’autonomia di guida e di ridurre le dimensioni e il peso dei sistemi di gestione delle batterie; inoltre, la loro resistenza alle alte tensioni li rende componenti essenziali nella tecnologia delle reti intelligenti, che migliorano l’efficienza energetica riducendo al contempo le emissioni di carbonio.

2. Bassa conduttività termica

Il silicio (Si) è un materiale fondamentale utilizzato nei dispositivi elettronici tradizionali, come i transistor e i circuiti integrati, ma presenta particolari difficoltà quando viene impiegato nell'elettronica di potenza, caratterizzata da requisiti di tensione più elevati e da condizioni ambientali difficili. Il carburo di silicio (SiC) offre velocità, affidabilità ed efficienza superiori rispetto al silicio.

Il SiC è in grado di sopportare tensioni di rottura dieci volte superiori a quelle del silicio, consentendo lo sviluppo di dispositivi semiconduttori di potenza di nuova generazione, quali i diodi Schottky e i transistor MOSFET, che riducono le perdite di commutazione aumentando al contempo le densità di corrente, con conseguente riduzione della resistenza di accensione e un funzionamento più rapido.

Il 3C-SiC rappresenta una scelta eccellente come materiale per applicazioni ad alta temperatura, quali l’elettronica di potenza dei veicoli elettrici (EV) e i sistemi di comunicazione 5G, in cui i suoi wafer devono resistere sia a temperature elevate che a tensioni elevate. Un’analisi EBSD della sua faccia di crescita e della superficie in prossimità del substrato di Si ha rivelato che il campione di 3C-SiC bulk autoportante presentava un unico orientamento (111). Inoltre, i campioni drogati intenzionalmente presentano un maggior numero di difetti di impilamento con una ridotta concentrazione di dislocazioni, a conferma della teoria secondo cui l’impurità di B riduce significativamente la conduttività termica, come previsto.

3. Elevata densità energetica

Il carburo di silicio è utilizzato come materiale semiconduttore da oltre 100 anni; tra le sue applicazioni più recenti figurano i dispositivi di potenza, quali inverter e convertitori, che stanno acquisendo un’importanza sempre maggiore grazie alla capacità del materiale di sopportare tensioni di funzionamento e frequenze di commutazione più elevate rispetto ai dispositivi tradizionali in silicio, garantendo a tali dispositivi un’efficienza e dimensioni senza pari – ideali per le applicazioni nei veicoli elettrici in cui il pesoe di spazio.

L'elevata densità energetica del SiC è dovuta principalmente alle sue proprietà di ampio gap energetico. Il SiC presenta un gap energetico molto più ampio rispetto ai tradizionali materiali semiconduttori al silicio, consentendo ai suoi diodi e transistor di avere strati n più sottili a parità di tensioni di rottura, con conseguente riduzione della resistenza allo stato conduttivo e tempi di commutazione più rapidi.

I dispositivi in SiC traggono vantaggio dall’ampio gap energetico, che consente loro di dissipare efficacemente il calore a temperature elevate senza ricorrere a ingombranti sistemi di raffreddamento, garantendo così una maggiore densità di potenza. Le proprietà uniche del carburo di silicio ne fanno inoltre il materiale ideale per i sistemi di alimentazione critici presenti nei veicoli elettrici, quali gli inverter e i caricabatterie di bordo, che ottimizzano le prestazioni delle batterie e i tempi di ricarica.

4. Costo contenuto

I semiconduttori al SiC offrono una straordinaria opportunità per ridurre in modo significativo le perdite di potenza e i costi in un’ampia gamma di applicazioni del XXI secolo. Questa tecnologia ha reso possibile la realizzazione di componenti per l’elettronica di potenza più compatti ed efficienti dal punto di vista energetico; ad esempio negli inverter per trasmissioni elettriche, negli inverter solari e nei variatori per motori industriali.

Grazie alle minori perdite di commutazione e alle temperature di funzionamento più basse, questi dispositivi possono essere più piccoli, più leggeri e più economici rispetto alle loro controparti in silicio, consentendo una riduzione dei costi di sistema e una maggiore efficienza energetica; un requisito essenziale per una tecnologia sostenibile.

Con il lancio dei wafer da 8 pollici, la disponibilità di dispositivi di potenza in SiC di alta qualità dovrebbe aumentare in modo significativo e i prezzi potrebbero, nel tempo, subire un calo considerevole.

Tra gli altri fattori che contribuiscono alla diminuzione dei prezzi dei dispositivi di potenza in SiC figurano i minori costi di epitassia e di fabbricazione dei dispositivi, nonché i materiali di consumo meno costosi rispetto a quelli utilizzati per la lavorazione dei dispositivi di potenza in silicio. Tuttavia, qualsiasi calo dei prezzi potrebbe essere compensato dall’aumento della produzione in serie dei substrati in SiC, grazie alle economie di scala che ne derivano e ai continui miglioramenti degli standard di qualità di tali substrati.

5. Basso consumo energetico

A causa della crescente domanda di stazioni di ricarica per veicoli elettrici (EV) e di data center a supporto dei dispositivi IoT, delle applicazioni software e di altri servizi ad alto consumo di dati, le tecnologie SiC sono pronte a rispondere a questa sfida con soluzioni innovative volte al risparmio energetico. Il SiC è pronto a fornire le risposte.

I dispositivi in SiC si distinguono per le eccellenti prestazioni termiche, contribuendo a ridurre le perdite di potenza e a migliorare l'efficienza del sistema, riducendone le dimensioni e il peso e, al contempo, diminuendo in modo significativo le perdite di commutazione rispetto alle controparti in silicio e aumentando l'affidabilità dei dispositivi.

Inoltre, il suo ampio bandgap consente campi di rottura più elevati, che a loro volta permettono di ottenere regioni di deriva più sottili, riducendo drasticamente la resistenza allo stato attivo per unità di superficie rispetto al silicio a tensioni di tenuta simili. Ciò consente di realizzare progetti con una maggiore densità di potenza e un numero inferiore di componenti passivi, riducendo i costi del sistema e il consumo energetico nel tempo.

ST sta ampliando le proprie capacità produttive su larga scala con wafer da 200 mm per semiconduttori di potenza e moduli, al fine di garantire forniture affidabili per veicoli elettrici (EV), inverter solari, azionamenti per motori industriali e altre applicazioni nel campo dell'efficienza energetica. Inoltre, attraverso nuove iniziative di ricerca, l'azienda sta rendendo il SiC più accessibile per una gamma più ampia di applicazioni elettroniche e nei sistemi di alimentazione.