Dispositivos SiC en una encrucijada: Avances rápidos en medio de los desafíos técnicos en curso en la industria de semiconductores de próxima generación
May 28, 2025
Ⅰ. Carburo de silicio (sic)
Debido a sus propiedades químicas estables, la alta conductividad térmica, el bajo coeficiente de expansión térmica y la excelente resistencia al desgaste, el carburo de silicio (SIC) tiene aplicaciones mucho más allá de su uso tradicional como abrasivo. Por ejemplo, el polvo SIC se puede aplicar a las superficies internas de los impulsores de la turbina o los revestimientos de cilindros a través de procesos especiales para mejorar la resistencia al desgaste y extender la vida útil de 1 a 2 veces. Los materiales refractarios de alto grado fabricados de SIC exhiben una excelente resistencia a los choques térmicos, un volumen reducido, un peso más ligero y una alta resistencia mecánica, lo que lleva a beneficios significativos de ahorro de energía.
El carburo de silicio de bajo grado (que contiene aproximadamente 85% de SiC) sirve como un excelente desoxidante en la fabricación de acero, acelerando el proceso de fundición, facilitando el control de la composición química y mejorando la calidad general del acero. Además, SIC se usa ampliamente en la fabricación de elementos de calefacción de carburo de silicio (sic varillas).
El carburo de silicio es un material extremadamente duro, con una dureza de los MOHS de 9.5, solo para diamantes (10). Posee una excelente conductividad térmica y es un semiconductor con una resistencia de oxidación sobresaliente a temperaturas elevadas.
Ⅱ. Ventajas de los dispositivos de carburo de silicio
El carburo de silicio (SIC) es actualmente el material semiconductor más maduro (WBG) en desarrollo. Los países de todo el mundo ponen gran énfasis en la investigación de SIC y han invertido recursos sustanciales para promover su avance.
Estados Unidos, Europa, Japón y otros han establecido estrategias de desarrollo a nivel nacional para SIC. Los principales actores de la industria electrónica global también han invertido mucho en el desarrollo de dispositivos semiconductores SIC.
En comparación con los dispositivos basados en silicio convencionales, los componentes basados en SIC ofrecen las siguientes ventajas:
1. Capacidad de alto voltaje
Los dispositivos de carburo de silicio resisten los voltajes hasta 10 veces mayores que los dispositivos de silicio equivalentes. Por ejemplo, los diodos SIC Schottky pueden admitir voltajes de descomposición de hasta 2400 V. Los transistores de efectos de campo (FET) basados en SIC pueden operar a decenas de kilovoltios mientras se mantiene una resistencia manejable en el estado.
2. Rendimiento de alta frecuencia
(Detalles específicos no proporcionados en el texto original, pero se pueden complementar si es necesario).
3. Operación a alta temperatura
Con los dispositivos SI convencionales que se acercan a sus límites de rendimiento teórico, los dispositivos de potencia SIC se consideran candidatos ideales debido a su alto voltaje de descomposición, bajas pérdidas de conmutación y eficiencia superior.
Sin embargo, la adopción generalizada de dispositivos de potencia SIC depende del equilibrio entre el rendimiento y el costo, así como de la capacidad de satisfacer las altas demandas de los procesos de fabricación avanzados.
En la actualidad, los dispositivos SIC de baja potencia han pasado de la investigación de laboratorio a la producción comercial. Sin embargo, las obleas SIC siguen siendo relativamente caras y sufren de una mayor densidad de defectos en comparación con los materiales semiconductores tradicionales.
Ⅲ. Los dispositivos Sic MOS más ampliamente visto
1. Sic-Mosfet
El SIC-MOSFET (transistor de campo-efecto-óxido-óxido-óxido-óxido-semiconductor de silicio) es actualmente el dispositivo electrónico de potencia más intensamente investigado dentro del sistema de material SIC. Los avances notables han sido realizados por compañías líderes como Cree (EE. UU.) Y Rohm (Japón).
En una estructura típica de SIC-Mosfet, tanto la región de origen de N+ como el P-Well se forman usando implantación de iones, seguido de recocido a altas temperaturas (~ 1700 ° C) para activar los dopantes. Uno de los procesos críticos en la fabricación de SiC-Mosfet es la formación de la capa de óxido de puerta. Dado que el carburo de silicio consiste en átomos de Si y C, el crecimiento de los dieléctricos de la puerta requiere técnicas especializadas de crecimiento de óxido.
Estructura de la trinchera versus estructura plana
La arquitectura SIC-Mosfet de tipo trinchera maximiza las ventajas de rendimiento de los materiales SIC sobre los diseños planos tradicionales. Esta estructura permite una mayor densidad de corriente, menor resistencia en la resistencia y una mejor distribución del campo eléctrico.
2. Ventajas de SIC-Mosfets
Los IGBT convencionales de silicio generalmente operan por debajo de 20 kHz. Debido a las limitaciones intrínsecas del material, la operación de alto voltaje y alta frecuencia es difícil de lograr con dispositivos basados en silicio.
Por el contrario, los SIC-Mosfets son adecuados para una amplia gama de aplicaciones de voltaje, desde 600 V hasta más de 10 kV, y exhiben excelentes características de conmutación como dispositivos unipolares.
En comparación con los IGBT de silicio, ofrece SIC-Mosfets:
- Corriente de cola cero durante el cambio,
- Pérdidas de cambio más bajas,
- Frecuencia de funcionamiento significativamente mayor.
Por ejemplo, un módulo SIC-Mosfet de 20 kHz puede exhibir la mitad de la pérdida de potencia de un módulo IGBT de silicio de 3 kHz. Un módulo de 50 A SIC puede reemplazar efectivamente un módulo 150 A SI, destacando la eficiencia y las ventajas de rendimiento de alta frecuencia.
Además, el diodo del cuerpo en SIC-Mosfets tiene características de recuperación inversa ultra rápida, con:
- Tiempo de recuperación inverso extremadamente corto (TRR),
- Muy baja carga de recuperación inversa (QRR).
Por ejemplo, a la misma corriente y voltaje nominal (por ejemplo, 900 V), el QRR del diodo corporal de un SIC-Mosfet es solo el 5% del de un MOSFET a base de silicio. Esto es particularmente beneficioso para los circuitos de tipo puente (como los convertidores resonantes LLC que operan por encima de la resonancia), como él:
- Reduce los requisitos de tiempo muerto,
- Minimiza las pérdidas y el ruido de la recuperación de diodos,
- Permite frecuencias de conmutación más altas con una eficiencia mejorada.
3. Aplicaciones de SIC-Mosfets
Los módulos SIC-Mosfet demuestran ventajas sustanciales en sistemas de energía de mediana a alta potencia, que incluyen:
- Inversores fotovoltaicos (PV),
- Convertidores de energía eólica,
- Vehículos eléctricos (EV),
- Sistemas de tracción ferroviaria.
Gracias a sus atributos de alto voltaje, alta frecuencia y alta eficiencia, los dispositivos SIC están permitiendo avances en el diseño del tren motriz EV, donde los dispositivos tradicionales de silicio han alcanzado cuellos de botella de rendimiento.
Ejemplos destacados incluyen:
- Denso y Toyota, que desarrollaron conjuntamente unidades de control de energía (PCU) para vehículos eléctricos híbridos (HEV) y vehículos eléctricos de batería (EV) utilizando módulos SIC-Mosfet. Estos sistemas lograron una reducción 5x en el volumen.
- Mitsubishi Electric, que desarrolló un sistema de accionamiento de motor EV basado en SIC-Mosfet con motor e inversor totalmente integrados, logrando la miniaturización y la integración del sistema.
Según las proyecciones, se esperaba que los módulos SIC-Mosfet vieran una adopción generalizada en vehículos eléctricos a nivel mundial entre 2018 y 2020, una tendencia que continúa creciendo a medida que la tecnología madura y los costos disminuyen.
Ⅳ. Silicon Carbide Schottky Diodos (SIC SBD)
1. Estructura del dispositivo
Los diodos Schottky de carburo de silicio adoptan una estructura de barrera de unión (JBS), que reduce efectivamente la corriente de fuga inversa y mejora la capacidad de bloqueo de alto voltaje. Esta estructura combina las ventajas de baja caída de voltaje hacia adelante y alta velocidad de conmutación.
2. Ventajas de los diodos sic schottky
Como dispositivos unipolares, los diodos SIC Schottky ofrecen características superiores de recuperación inversa en comparación con los diodos tradicionales de recuperación rápida de silicio (SI FRDS). Al cambiar de la conducción hacia adelante a el bloqueo inverso, exhibe los diodos SIC:
- Corriente de recuperación inversa cercana a cero: los tiempos de recuperación inversa son típicamente inferiores a 20ns; Por ejemplo, un SBD de 600V/10A SIC puede lograr menos de 10ns.
- Capacidad de frecuencia de conmutación alta: permite operar a frecuencias significativamente más altas con una eficiencia mejorada.
- Coeficiente de temperatura positiva: la resistencia aumenta con la temperatura, lo que hace que los dispositivos sean más adecuados para la operación paralela y la mejora de la seguridad y confiabilidad del sistema.
- Rendimiento de conmutación estable a través de las temperaturas: las características de conmutación permanecen consistentes bajo estrés térmico.
- Pérdidas de conmutación mínima: ideal para aplicaciones de alta eficiencia.
3. Aplicaciones
Los diodos SIC Schottky se usan ampliamente en aplicaciones de mediana a alta potencia, como:
- Suministros de alimentación de conmutación (SMPS)
- Circuitos de corrección del factor de potencia (PFC)
- Suministros ininterrumpidos (UPS)
- Inversores fotovoltaicos y sistemas de energía renovable
Reemplazar los SI FRD tradicionales con SIC SBDS en circuitos PFC permite operar a frecuencias superiores a 300 kHz mientras se mantiene la eficiencia. En contraste, los SI FRD experimentan una caída de eficiencia significativa más allá de los 100 kHz. La operación de mayor frecuencia también reduce el tamaño de los componentes pasivos como los inductores, reduciendo el volumen general de la PCB en más del 30%.
Ⅴ. ¿Cómo se considera el carburo de silicio (sic)?
El carburo de silicio es ampliamente reconocido como un material de semiconductores de banda de banda ancha y un representante líder de la tercera generación de semiconductores. Se elogia por sus excelentes propiedades físicas y eléctricas:
1. Superioridad material
- Bandgap ancho (3.09 eV): 2.8 veces más anchos que el silicio, lo que permite voltajes de desglose más altos.
- Campo eléctrico de alta ruptura (3.2 mV/cm): 5.3 veces más alto que el silicio, lo que permite capas de deriva mucho más delgadas.
- Alta conductividad térmica (4.9 W/cm · K): 3.3 veces más alta que el silicio, facilitando una mejor disipación de calor.
- Resistencia de radiación fuerte y alta densidad de portadores: adecuado para ambientes extremos.
2. Rendimiento eléctrico
Los dispositivos SIC ofrecen un rendimiento dramáticamente mejorado en comparación con las contrapartes de silicio:
- La región de deriva puede ser un orden de magnitud más delgada que la del silicio para la misma clasificación de voltaje.
- Las concentraciones de dopaje pueden ser hasta dos órdenes de magnitud más altas.
- La resistencia por unidad de área es hasta 100 veces más baja.
- La generación de calor se reduce significativamente, contribuyendo a una menor conducción y pérdidas de cambio.
- Las frecuencias operativas son típicamente más de 10 veces más altas que las de los dispositivos de silicio.
- Los dispositivos SIC pueden funcionar a temperaturas de hasta 400 ° C y son capaces de manejar corrientes y voltajes altos en paquetes compactos.
Los avances recientes han permitido producir IGBT basados en SIC y otros dispositivos de potencia con una generación de calor y calor mucho más baja. Estas propiedades hacen de SIC un material ideal para la electrónica de energía de próxima generación.
Ⅵ. Estado de desarrollo actual de dispositivos de carburo de silicio (sic)
1. Parámetros técnicos
Por ejemplo, las clasificaciones de voltaje de los diodos Schottky han aumentado de 250 V a más de 1000V, mientras que el área de ChIP ha disminuido. Sin embargo, la calificación actual sigue siendo solo unas pocas decenas de amperios. Las temperaturas de funcionamiento han mejorado a 180 ° C, que aún está lejos del máximo teórico de 600 ° C. La caída de voltaje hacia adelante también es menos que ideal, comparable a la de los dispositivos de silicio, con algunos diodos SIC que exhiben gotas de voltaje hacia adelante hasta 2V.
2. Precio de mercado
Los dispositivos SIC son aproximadamente5 a 6 veces más caroque los dispositivos basados en silicio equivalentes.
Ⅶ. Desafíos en el desarrollo de dispositivos SIC
Según varios informes, los principales desafíos no se encuentran en el principio del dispositivo o el diseño estructural, que generalmente se puede resolver, sino en el proceso de fabricación. Aquí hay algunos problemas clave:
1. Defectos microestructurales en obleas SIC
Un defecto importante es el micropipe, que es visible incluso a simple vista. Hasta que estos defectos se eliminen por completo en el crecimiento de los cristales, es difícil usar SIC para dispositivos electrónicos de alta potencia. Mientras que las obleas de alta calidad han reducido la densidad de micropipe a menos de 15 cm⁻², las aplicaciones industriales exigen obleas de más de 100 mm de diámetro con densidades de micropipe por debajo de 0.5 cm⁻².
2. Baja eficiencia del crecimiento epitaxial
La homoepitaxia SIC se realiza típicamente mediante deposición química de vapor (CVD) a temperaturas superiores a 1500 ° C. Debido a problemas de sublimación, las temperaturas no pueden exceder los 1800 ° C, lo que resulta en bajas tasas de crecimiento. Mientras que la epitaxia en fase líquida permite temperaturas más bajas y mayores tasas de crecimiento, el rendimiento sigue siendo bajo.
3. Desafíos en los procesos de dopaje
El dopaje de difusión convencional no es adecuado para SIC debido a su alta temperatura de difusión, lo que compromete la capacidad de enmascaramiento de la capa SIO₂ y la estabilidad de la propia SIC. Se requiere la implantación de iones, particularmente para el dopaje de tipo P usando aluminio.
Sin embargo, los iones de aluminio causan daño significativo en la red y una mala activación, lo que requiere implantación a temperaturas elevadas del sustrato seguido de recocido a alta temperatura. Esto puede conducir a la descomposición de la superficie, la sublimación del átomo de Si y otros problemas. La optimización de la selección de dopantes, las temperaturas de recocido y los parámetros del proceso aún está en curso.
4. Dificultad para formar contactos óhmicos
La creación de contactos óhmicos con resistividad de contacto por debajo de 10⁻⁵ Ω · cm² es fundamental. Mientras que Ni y Al se usan típicamente, sufren de mala estabilidad térmica por encima de 100 ° C. Los electrodos compuestos como Al/Ni/W/Au pueden mejorar la estabilidad térmica de hasta 600 ° C durante 100 horas, pero la resistividad de contacto sigue siendo alta (~ 10⁻³ Ω · cm²), lo que dificulta los contactos óhmicos confiables.
5. Resistencia al calor de los materiales auxiliares
Aunque los chips SIC pueden funcionar a 600 ° C, los materiales de soporte como electrodos, soldadura, paquetes y aislamiento a menudo no pueden soportar temperaturas tan altas, lo que limita el rendimiento general del sistema.
Nota: Estos son ejemplos seleccionados. Muchos otros desafíos de fabricación, como el grabado de trincheras, la pasivación por terminación de borde y la confiabilidad de la interfaz de óxido de puerta en MOSFETS SIC, aún carecen de soluciones ideales. La industria aún no ha alcanzado el consenso sobre varios de estos temas, obstaculizando significativamente el rápido desarrollo de dispositivos de potencia SIC.
Ⅷ. Por qué los dispositivos SIC aún no se han adoptado ampliamente
Las ventajas de los dispositivos SIC se reconocieron ya en la década de 1960. Sin embargo, la adopción generalizada se ha retrasado debido a numerosos desafíos técnicos, particularmente en la fabricación. Incluso hoy, la aplicación industrial primaria de SIC sigue siendo abrasiva (Carborundum).
SIC no se derrite bajo una presión controlable, pero se sublima a alrededor de 2500 ° C, lo que significa que el crecimiento del cristal a granel debe comenzar desde la fase de vapor, un proceso mucho más complejo que el crecimiento de silicio (Si se derrite a ~ 1400 ° C). Uno de los mayores obstáculos para el éxito comercial es la falta de sustratos SIC adecuados para dispositivos de semiconductores de potencia.
Para el silicio, los sustratos de cristal único (obleas) están fácilmente disponibles y son la base de la producción a gran escala. Aunque a fines de la década de 1970 se desarrolló un método para cultivar sustratos SIC de gran área (método Lely modificado), estos sustratos sufrieron defectos de micropipe.
Una sola micropipe que penetra en una unión PN de alto voltaje puede destruir su capacidad de bloqueo. En los últimos tres años, la densidad de micropipe ha caído de decenas de miles por mm² a decenas por mm². Como resultado, los tamaños de los dispositivos se han limitado a solo unos pocos mm², con corrientes máximas nominal de solo unos pocos amperios.
Las mejoras adicionales en la calidad del sustrato son esenciales antes de que los dispositivos de potencia SIC puedan volverse comercialmente viables.
Ⅸ. Progreso en la oblea de SiC y la densidad de micropipe
Los avances recientes muestran que SIC para dispositivos optoelectrónicos ha alcanzado una calidad aceptable, con el rendimiento de producción y la confiabilidad ya no obstaculizados por defectos materiales. Para dispositivos unipolares de alta frecuencia, como MOSFET y diodos Schottky, la densidad de micropipe está principalmente bajo control, aunque todavía afecta ligeramente el rendimiento.
Para dispositivos de alta potencia y alta potencia, los materiales SIC aún necesitan otros dos años de desarrollo para reducir aún más la densidad de defectos. A pesar de los desafíos actuales, no hay duda de que SIC es uno de los materiales semiconductores más prometedores para el siglo XXI.
Ⅹ. Productos relacionados