Semiconductor de carburo de silicio

El carburo de silicio (SiC) es un semiconductor avanzado que supera muchas de las limitaciones de los dispositivos tradicionales de silicio. Con una banda prohibida tres veces más ancha que la del silicio y una conductividad térmica mejorada, los dispositivos de SiC son ideales para manejar tensiones y temperaturas más altas que sus homólogos de silicio.

En este artículo se presentan las propiedades básicas y las ventajas del SiC que han acelerado su popularidad generalizada para aplicaciones de electrónica de potencia. Revisaremos diversas técnicas de crecimiento epitaxial de cristales, así como la caracterización física de las capas crecidas.

Bandgap

La amplia banda prohibida del carburo de silicio lo hace ideal para aplicaciones de conmutación de conversión de potencia, permitiéndole manejar tensiones, corrientes y temperaturas más elevadas que los semiconductores típicos basados en silicio, lo que se traduce en diseños más pequeños con costes de sistema reducidos.

La banda prohibida de cualquier material se refiere a la energía necesaria para que los electrones pasen de las bandas de valencia de los átomos a las bandas de conducción de esos mismos átomos. Los materiales con bandas prohibidas anchas actúan como conductores, mientras que los que tienen bandas más estrechas actúan como aislantes; el carburo de silicio presenta una banda prohibida tres veces mayor que la del silicio, lo que lo convierte en un material semiconductor increíblemente eficaz.

Los materiales de banda prohibida ancha no necesitan altos voltajes para activar la energía térmica, sino que pueden funcionar a temperaturas mucho más elevadas, de hasta 300 ºC, frente al límite máximo de 175 ºC del silicio.

El bandgap del carburo de silicio también puede aportar varias ventajas a las aplicaciones de automoción, reduciendo los costes del sistema al tiempo que se mejora la eficiencia y se reducen los sistemas de refrigeración activa que añaden peso y complejidad a los vehículos eléctricos. La integración del carburo de silicio en los circuitos de conmutación de conversión de potencia requiere una experiencia única, ya que debe dimensionarse y configurarse adecuadamente según las especificaciones de rendimiento de la aplicación; también es necesario adoptar un enfoque holístico a la hora de considerar las compensaciones entre los costes de refrigeración frente a los beneficios del coste de los materiales y las ventajas de rendimiento del carburo de silicio.

Intensidad de campo de ruptura

El carburo de silicio (SiC) es un material semiconductor innovador con múltiples ventajas para las aplicaciones de electrónica de potencia, como una elevada capacidad de tensión de bloqueo, tiempos de conmutación rápidos y pérdidas reducidas. Los dispositivos basados en SiC también tienen mayores intensidades de campo de ruptura que los basados en silicio, lo que permite a los diseñadores aumentar el flujo de corriente con determinados tamaños de dispositivo.

La intensidad del campo de ruptura de los semiconductores es directamente proporcional a su brecha energética, que determina si actúan como conductores o aislantes. Los conductores permiten que los electrones pasen libremente entre sus bandas de valencia y conducción, mientras que para los aislantes se necesita una gran cantidad de energía para atravesar las barreras entre estas bandas; el SiC tiene una banda prohibida excepcionalmente ancha, lo que lo convierte en un conductor con una mayor intensidad de campo de ruptura que otros materiales como el Si.

El SiC puede modificarse dopándolo con impurezas como aluminio, boro, galio o nitrógeno; sus propiedades eléctricas pueden entonces adaptarse alterando su composición química con dopantes (impurezas). El dopaje puede hacer que el SiC actúe como un aislante dopándolo con estos elementos o que se comporte como un semiconductor añadiéndole nitrógeno o fósforo; la concentración y distribución espacial de los dopantes es clave para su rendimiento en los dispositivos; de ahí que su concentración y distribución deban verificarse para asegurarse de que no existen contaminantes nocivos.

Temperatura

Los semiconductores de carburo de silicio (SiC) ofrecen numerosas ventajas clave para las aplicaciones de electrónica de potencia, como una alta tensión de ruptura, velocidades de conmutación más rápidas, menores pérdidas y resistencia a las radiaciones, lo que los hace adecuados para muchos diseños y diseños con requisitos de refrigeración reducidos gracias a su funcionamiento a temperaturas más elevadas. La capacidad de los semiconductores de SiC para funcionar a temperaturas elevadas también implica menores necesidades de refrigeración, lo que se traduce en dispositivos más pequeños y ligeros.

El SiC es un material semiconductor que puede doparse con nitrógeno y fósforo para producir un semiconductor de tipo n, o doparse con boro, aluminio o galio para producir un semiconductor de tipo p. Esto crea una banda prohibida ancha, lo que significa que la electricidad puede fluir mucho más fácilmente a temperaturas más altas que con el silicio. Esto crea un amplio bandgap, lo que significa que la electricidad puede fluir mucho más fácilmente a temperaturas más altas que con el silicio. Además, la conductividad térmica del SiC es excepcional; su resistencia a la temperatura llega hasta los 1600degC.

El rendimiento a altas temperaturas de los semiconductores de SiC los hace ideales para aplicaciones que requieren corrientes elevadas, como los coches eléctricos. Los coches eléctricos necesitan grandes flujos de corriente para acelerar y funcionan en entornos calurosos como desiertos o montañas, por lo que la resistencia térmica superior del SiC lo convierte en la solución perfecta.

Aunque el SiC es raro en la naturaleza, puede crearse sintéticamente mediante diversos procesos. Una opción consiste en disolver carbono en silicio fundido; otra, en calentar arcilla mezclada con coque en polvo en un horno eléctrico; o incluso puede cultivarse directamente en obleas mediante procesos de deposición química de vapor.

Dopaje

El dopaje de los semiconductores de carburo de silicio consiste en añadir impurezas en su red cristalina para modificar sus propiedades y alterar sus características. El dopaje puede realizarse mediante implantación iónica o durante el proceso de crecimiento del cristal in situ; aunque se prefiere la implantación iónica por su dopaje uniforme en toda la superficie, el dopaje in situ requiere temperaturas de activación más elevadas que podrían degradar significativamente la movilidad del canal de los transistores de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor, lo que afectaría negativamente al rendimiento del dispositivo.

La implantación de iones también presenta desventajas. Controlar con precisión la concentración de dopante puede ser un reto, lo que podría dar lugar a grandes variaciones en la estructura de banda del semiconductor, así como a numerosos defectos superficiales y una menor calidad en los productos de carburo de silicio.

Para superar estos problemas, se ha ideado un novedoso método de dopaje que emplea un compuesto de boro. Este compuesto de boro se aplica directamente sobre las superficies de carburo de silicio utilizando una solución que contiene metanol; esto permite una distribución más uniforme de los átomos de boro en su superficie, lo que mejora la calidad de los productos de carburo de silicio y reduce el tiempo de recocido de activación (He et al. 2010; Tang et al. 2018; Sun et al. 2017b).