Vantaggi del carburo di silicio 4H e 6H nell'elettronica di potenza

Il carburo di silicio (SiC) è un materiale eccezionale dotato di notevoli proprietà elettriche e meccaniche, che lo rendono particolarmente adatto ad applicazioni che richiedono prestazioni elevate a temperature e tensioni elevate. Il SiC è particolarmente indicato per applicazioni ad alta potenza e ad alta frequenza in cui la dissipazione del calore è fondamentale.

Per analizzare le morfologie dei fori di incisione di uno strato epitassiale di 4H-SiC sottoposto a incisione, sono state impiegate la microscopia atmosferica (OM) e la microscopia confocale a scansione laser (LSCM). Per misurare le correnti di dispersione locali, sono state effettuate misurazioni con la microscopia a forza atomica a effetto tunnel (TUNA); queste ci hanno permesso di determinare quali tipi di dislocazioni potessero essere presenti nei nostri campioni.

Elevata conducibilità termica

Il SiC è noto per la sua eccellente conduttività termica, che gli consente di dissipare il calore in modo più efficace, prolungando le prestazioni e la durata dei dispositivi elettronici. Grazie anche alla sua elevata temperatura di fusione e alla sua rigidità, il SiC è un materiale ideale per applicazioni che richiedono resistenza al calore, offrendo al contempo eccezionali capacità di dissipazione termica in ambienti soggetti a elevate sollecitazioni operative, come i sensori di livello spaziale o l’elettronica resistente alle radiazioni.

La struttura a livello atomico del carburo di silicio è fondamentale per le sue proprietà. Sono numerosi i fattori che influenzano la sua conducibilità termica, quali il contenuto di ossigeno/azoto nel reticolo cristallino, la porosità, la distribuzione granulometrica e la trasformazione di fase; tuttavia, la comprensione approfondita della loro influenza rimane limitata.

Questo studio presenta la prima misurazione sistematica della conduttività termica anisotropica a temperatura ambiente in cristalli massicci di 3C-SiC. I valori di k nel piano misurati sono superiori di oltre 50% rispetto a quelli riportati per i cristalli di 6H-SiC e AlN disponibili in commercio; e si collocano al secondo posto tra i cristalli di grandi dimensioni di qualsiasi materiale. Per effettuare le misurazioni, gli autori hanno utilizzato uno strumento BO-TDTR con frequenza di modulazione di 1,9 MHz e obiettivo 10x.

Il SiC CVD, noto anche come carburo di silicio ottenuto mediante deposizione chimica da vapore, è una forma policristallina a struttura cubica a facce centrate del carburo di silicio, caratterizzata da un ampio bandgap e da un’elevata tensione di rottura, che lo rendono un materiale ideale per dispositivi elettronici di potenza che operano a temperature e tensioni elevate. Inoltre, il suo coefficiente di espansione termica eccezionalmente basso e l’elevata refrattarietà rendono il SiC ideale per varie applicazioni, tra cui gli specchi dei telescopi astronomici.

Elevata tensione di rottura

Il carburo di silicio (SiC) offre numerosi vantaggi per le applicazioni nei dispositivi di potenza. Il suo ampio bandgap consente ai dispositivi di funzionare a temperature e tensioni più elevate, mentre la sua bassa densità di difetti ne migliora le prestazioni: tutto ciò rende il SiC un’alternativa interessante ai dispositivi di potenza in silicio (Si). Tuttavia, le proprietà uniche del SiC devono essere prese in considerazione nella progettazione e nella fabbricazione di dispositivi a semiconduttori che utilizzano questo materiale; ad esempio, la sua struttura cristallina influenza sia le prestazioni che la tensione di rottura; nella progettazione di questo tipo di dispositivi, le varianti 4H-SiC e 6H-SiC presentano una diversa disposizione atomica che determina differenze nelle proprietà fisiche ed elettroniche, le quali devono essere prese in considerazione in fase di progettazione o produzione per garantire un utilizzo ottimale quando vengono progettati come sostituti dei dispositivi di potenza al silicio.

La tensione di rottura nei dispositivi di potenza bipolari in SiC dipende da due variabili: lo spessore dello strato di blocco della tensione e la concentrazione di drogaggio. Strati di blocco più sottili comportano una resistenza inferiore, mentre strati con un dopaggio più elevato aumentano la tensione di rottura. Littelfuse ha sviluppato una struttura JTE (Junction Termination Extension) con spazio modificato, dotata di dimensioni e concentrazione di dopaggio adeguate per migliorare le prestazioni dei transistor bipolari in SiC.

Per aumentare la tensione di rottura di un transistor bipolare, la sua struttura JTE è stata passivata mediante il deposito di uno strato di SiO₂ e il successivo ricottura in NO. Ciò ha migliorato la ricombinazione superficiale e ha consentito di raggiungere una tensione di rottura massima di 23 kV, aprendo così la strada alle applicazioni ad alta potenza che un transistor bipolare è ora in grado di gestire.

Bassa resistività

Il carburo di silicio è un materiale estremamente duro e resistente agli agenti chimici, dotato di un’eccellente conducibilità termica, che trova ampio impiego nei dispositivi elettronici e nei diodi a emissione luminosa (LED). Sebbene la moissanite naturale possa occasionalmente essere presente nei meteoriti, nei giacimenti di corindone o nelle kimberliti, la maggior parte del carburo di silicio venduto a livello mondiale è di origine sintetica; la sua elevata durezza e resistenza alle alte temperature lo rendono una scelta interessante come materiale per gli specchi dei telescopi.

Il carburo di silicio si presenta in due varietà principali: alfa e beta. La forma alfa, con la sua struttura cristallina di tipo wurtzite, è di gran lunga la più diffusa, mentre quella di tipo blenda di zinco lo è in misura minore. Fino a poco tempo fa, la forma beta veniva utilizzata raramente a livello commerciale per applicazioni ad alta temperatura; ora, invece, è diventata un’alternativa interessante.

Il SiC 4H e il SiC 6H differiscono principalmente per la loro struttura cristallina. Entrambi i politipi presentano una struttura cristallina esagonale; tuttavia, possono esserci sottili variazioni nella sequenza di impilamento dei loro strati, il che determina costanti reticolari e proprietà elettriche diverse tra i due politipi.

Il 4H-SiC può aumentare ulteriormente la sua bassa resistività riducendo la densità dei difetti, sia attraverso la diminuzione delle concentrazioni di impurità o l'adozione di tecniche di crescita a bassa temperatura, sia ottimizzando il processo di incisione per ridurre al minimo l'uso di reagenti tossici a base di HF.

Elevata stabilità termica

Il carburo di silicio è un materiale semiconduttore a banda larga in grado di resistere a temperature e tensioni elevate, grazie alla sua eccezionale stabilità termica. Di conseguenza, questo materiale è in grado di sopportare anche applicazioni particolarmente impegnative come l'elettronica di potenza. Inoltre, l'elevata mobilità degli elettroni del carburo di silicio consente velocità di commutazione elevate, rendendolo una scelta eccellente per interruttori di potenza, diodi e raddrizzatori.

Il carburo di silicio si presenta in diversi politipi, ciascuno con caratteristiche uniche. Tra questi, il 4H-SiC si distingue per le sue eccezionali proprietà elettriche e meccaniche; tra le varie varianti, è considerato uno dei politipi più avanzati grazie alla sua struttura cristallina esagonale, mentre il 6H-SiC presenta una struttura cubica.

Le impurità presenti nel 4H-SiC hanno un effetto enorme sulle sue prestazioni; tuttavia, la loro natura e il loro impatto rimangono poco chiari. Per colmare questa lacuna, sono stati effettuati calcoli dell’energia di formazione basati sui primi principi al fine di sviluppare un ampio database dei siti di impurità all’interno del 4H-SiC; tale database include informazioni quali la distorsione reticolare, i livelli di solubilità, i livelli di transizione di carica ecc.

La spettrometria di massa a ioni secondari è stata utilizzata per analizzare i profili di profondità delle densità di O, B e N in prossimità del substrato di Si e delle superfici di crescita dei campioni di 4H-SiC, rivelando che la maggior parte delle impurità causava un’espansione del reticolo, mentre solo gli atomi di B e N determinavano una contrazione del reticolo pari a circa 0,51%.