Electrónica de potencia con carburo de silicio coherente

El carburo de silicio (SiC) es un material semiconductor inorgánico con una banda prohibida extremadamente ancha que puede actuar alternativamente como conductor o aislante eléctrico, lo que lo hace útil en la electrónica de potencia por su conductividad eléctrica superior a la de los semiconductores de silicio tradicionales.

EAG Laboratories cuenta con una amplia experiencia en la realización de técnicas analíticas a granel y espacialmente resueltas en muestras de SiC.

Electrónica de potencia de alta temperatura

Los vehículos eléctricos necesitan dispositivos semiconductores de potencia capaces de funcionar a temperaturas más elevadas, con menores pérdidas de energía y velocidades de conmutación más rápidas que los fabricados con chips de silicio normales. Los materiales de banda ancha como el SiC pueden ofrecer estas ventajas y han demostrado un buen rendimiento en experimentos de laboratorio; sin embargo, fabricar circuitos integrados con ellos puede plantear retos únicos; su cadena de suministro puede no estar aún tan desarrollada como la del silicio normal.

El equipo de Coherent está trabajando duro para reducir los costes del SiC y acortar los plazos de producción, de modo que los fabricantes puedan aumentar la eficiencia de los vehículos eléctricos y, al mismo tiempo, satisfacer las demandas de rendimiento de los consumidores.

La planta de Coherent en Saxonburg, Pensilvania, emplea tecnología de silicio sobre aislante (SOI) para fabricar obleas epitaxiales de SiC de alto rendimiento de hasta 200 mm de diámetro mediante técnicas de silicio sobre aislante (SOI). Estas obleas pueden utilizarse para fabricar diversos dispositivos de electrónica de potencia, como MOSFET e IGBT, así como amplificadores de potencia de RF GaN-on-SiC y otros dispositivos de microondas.

El proceso SOI de Coherent proporciona un mayor control sobre el crecimiento de las capas de SiC, mejorando así el rendimiento y las prestaciones del dispositivo. Coherent ofrece amplias posibilidades de caracterización, como la espectroscopia de emisión óptica con plasma de acoplamiento inductivo y ablación por láser (LA-ICP-OES) y la espectroscopia de dispersión de energía con microscopio electrónico de barrido (SEM-EDS), herramientas útiles para identificar defectos críticos y aumentar el rendimiento.

Amplificadores de potencia de RF de alta frecuencia

Con la rápida expansión de las redes 5G en todo el mundo, la demanda de amplificadores de potencia de RF para reforzar la transmisión de señales de datos inalámbricas ha experimentado un crecimiento exponencial. Coherent suministra obleas de carburo de silicio capaces de funcionar eficazmente dentro de estas nuevas bandas de alta frecuencia en una plataforma tecnológica ampliable.

Los sustratos de SiC de esta empresa ayudan a que la electrónica de potencia funcione de forma más eficiente al reducir la producción de calor, lo que disminuye el tamaño de los sistemas de refrigeración, ahorrando costes de energía y espacio en los sistemas de refrigeración.

Los semiconductores de SiC pueden funcionar a frecuencias más altas que los chips de silicio puro, lo que aumenta la velocidad y la autonomía de los coches eléctricos. Además, los semiconductores de SiC producen menos calor residual y soportan temperaturas más altas, lo que significa que pueden alimentar vehículos más eficientes con mayor ahorro de combustible.

La inversión conjunta de Coherent con las empresas japonesas Denso y Mitsubishi Electric le permitirá aumentar la producción de sustratos de carburo de silicio de 200 mm y obleas epitaxiales, así como establecer acuerdos de suministro a largo plazo para satisfacer las necesidades de SiC de 150 mm y 200 mm de las empresas japonesas. Además, este acuerdo refuerza la posición de Coherent en el mercado de la automoción -ya suministra materiales para fabricar chips utilizados en la fabricación de piezas de automóviles y componentes electrónicos- con sendas inversiones de $500 millones por una participación no mayoritaria del 12,5% en su nueva unidad de negocio.

Electrónica del automóvil

La electrónica de potencia fabricada con carburo de silicio coherente permite aumentar la eficiencia energética y la fiabilidad de los vehículos, reducir las emisiones de dióxido de carbono y acelerar la transición hacia una sociedad sostenible. Hacen posible la tecnología de frenado regenerativo -que convierte la energía térmica del frenado en energía eléctrica que puede almacenarse en la batería de un vehículo eléctrico-, así como el control y funcionamiento de cargas eléctricas mayores, como calefactores, ventiladores y máquinas eléctricas.

Coherent ha anunciado la creación de Silicon Carbide LLC, su nueva filial de SiC, para producir MOSFET de GaN sobre SiC y otros dispositivos de RF y microondas en obleas de SiC semiaislante de alta calidad de hasta 200 mm de diámetro. Según Coherent, Denso Automotive -uno de los principales proveedores de automoción- y Mitsubishi Electric han realizado importantes inversiones.

Las inversiones de Coherent permitirán sus planes de expansión de capacidad y garantizarán un suministro fiable y escalable para satisfacer la creciente demanda del mercado de dispositivos electrónicos de potencia basados en SiC. Coherent prevé importantes ahorros de costes gracias al uso del SiC, que es mucho menos caro que los materiales semiconductores tradicionales, como los chips de silicio. Además, el SiC puede soportar temperaturas más elevadas que los chips de silicio, lo que permite a los fabricantes reducir los sistemas de refrigeración, disminuyendo así el peso y el espacio necesario para los productos, una consideración importante ya que las empresas de automoción se esfuerzan por reducir los costes de los vehículos al tiempo que aumenta la aceptación de los vehículos eléctricos por parte de los consumidores.

Almacenamiento de energía

Los chips de SiC proporcionan a los sistemas de almacenamiento de energía una mayor eficiencia y densidad de potencia al reducir las pérdidas por conmutación, funcionar a temperaturas más elevadas con menores pérdidas de corriente, además de ayudar a disminuir el tamaño y los costes de los componentes. Además, esta tecnología facilita sistemas de refrigeración más pequeños, disminuyendo aún más el volumen y el peso del sistema.

El SiC es un material excelente para la detección de campos magnéticos debido a su resonancia magnética natural, que puede aprovecharse para aplicaciones de detección de campos. Además, su tiempo de coherencia de espín es 10 veces mayor que el de los semiconductores convencionales, lo que permite realizar mediciones rápidas y precisas que hacen del SiC un material adecuado para magnetómetros de alta velocidad, compactos, de baja potencia y alta resolución.

Los estudios sobre los defectos en el SiC han empleado la resonancia paramagnética electrónica (EPR) y la resonancia magnética detectada eléctricamente (EDMR), prestando especial atención a las vacantes de carbono presentes en las capas de CVD crecidas, que presentan largos tiempos de coherencia de espín a temperatura ambiente9,10,35 .

Khan subraya la importancia de que su filial Coherent trabaje en estrecha colaboración con las principales empresas de sistemas para maximizar el aprendizaje. Según Khan, es de vital importancia comprender los factores que impulsan las decisiones de los clientes y usuarios finales, como, por ejemplo, los requisitos del mercado de vehículos eléctricos, como la relación coste inicial de compra/coste de explotación o el equilibrio entre autonomía de conducción y tiempo de carga.