Semiconduttore in carburo di silicio

Il carburo di silicio (SiC) è un semiconduttore avanzato che supera molte delle limitazioni presenti nei dispositivi tradizionali in silicio. Con un bandgap tre volte più ampio rispetto al silicio e una migliore conducibilità termica, i dispositivi SiC sono ideali per gestire tensioni e temperature più elevate rispetto alle loro controparti in silicio.

Questo articolo introdurrà le proprietà di base e i vantaggi del SiC che ne hanno accelerato la diffusione per le applicazioni dell'elettronica di potenza. Passeremo in rassegna le varie tecniche di crescita cristallina epitassiale e la caratterizzazione fisica degli strati cresciuti.

Bandgap

L'ampio bandgap del carburo di silicio lo rende ideale per le applicazioni di commutazione per la conversione di potenza, consentendogli di gestire tensioni, correnti e temperature più elevate rispetto ai tipici semiconduttori a base di silicio, consentendo così di realizzare progetti più piccoli con costi di sistema ridotti.

Il bandgap di un materiale si riferisce all'energia necessaria agli elettroni per spostarsi dalle bande di valenza degli atomi alle bande di conduzione degli stessi atomi. I materiali con bandgap ampio agiscono come conduttori, mentre quelli con bandgap più stretto agiscono come isolanti; il carburo di silicio vanta un bandgap tre volte superiore a quello del silicio, rendendolo un materiale semiconduttore incredibilmente efficiente.

I materiali a banda larga non si affidano a tensioni elevate per attivare l'energia termica, ma possono operare a temperature molto più elevate, fino a 300 °C rispetto al limite massimo di 175 °C del silicio.

Il bandgap del carburo di silicio può anche offrire diversi vantaggi alle applicazioni automobilistiche, riducendo i costi di sistema e migliorando l'efficienza e riducendo i sistemi di raffreddamento attivo che aggiungono peso e complessità ai veicoli elettrici. L'integrazione del carburo di silicio nei circuiti di commutazione per la conversione di potenza richiede un'esperienza unica, in quanto deve essere adeguatamente dimensionato e configurato in base alle specifiche di prestazione dell'applicazione; inoltre, è necessario adottare un approccio olistico nel considerare i compromessi tra i costi di raffreddamento e i benefici dei materiali e delle prestazioni del carburo di silicio.

Intensità di campo di rottura

Il carburo di silicio (SiC) è un materiale semiconduttore innovativo con molteplici vantaggi per le applicazioni dell'elettronica di potenza, quali elevate capacità di tensione di blocco, tempi di commutazione rapidi e perdite ridotte. I dispositivi a base di SiC presentano inoltre intensità di campo di rottura più elevate rispetto a quelli a base di silicio, consentendo ai progettisti di aumentare il flusso di corrente a parità di dimensioni del dispositivo.

L'intensità del campo di rottura dei semiconduttori è direttamente proporzionale al loro gap energetico, che determina se agiscono come conduttori o isolanti. I conduttori permettono agli elettroni di passare liberamente tra le bande di valenza e di conduzione, mentre per gli isolanti è necessaria una quantità significativa di energia per attraversare le barriere tra le bande; il SiC ha un bandgap eccezionalmente ampio, che lo rende simile a un conduttore con una maggiore intensità del campo di breakdown rispetto ad altri materiali come il Si.

Il SiC può essere modificato mediante drogaggio con impurità come alluminio, boro, gallio o azoto; le sue proprietà elettriche possono quindi essere adattate alterando la sua composizione chimica con droganti (impurità). Il drogaggio può far sì che il SiC si comporti come un isolante, aggiungendo questi elementi, o che si comporti come un semiconduttore, aggiungendo azoto o fosforo - la concentrazione e la distribuzione spaziale dei droganti sono fondamentali per le sue prestazioni nei dispositivi; pertanto la concentrazione e la distribuzione devono essere verificate per assicurarsi che non vi siano contaminanti dannosi.

Temperatura

I semiconduttori al carburo di silicio (SiC) offrono numerosi vantaggi chiave per le applicazioni di elettronica di potenza, tra cui un'elevata tensione di breakdown, velocità di commutazione più elevate, perdite inferiori e resistenza alle radiazioni, che li rendono adatti a molti progetti e progetti con requisiti di raffreddamento ridotti grazie al funzionamento a temperature più elevate. La capacità dei semiconduttori SiC di operare a temperature elevate si traduce anche in una riduzione delle esigenze di raffreddamento, con conseguenti dispositivi più piccoli e leggeri.

Il SiC è un materiale semiconduttore che può essere drogato con azoto e fosforo per produrre un semiconduttore di tipo n, o drogato con boro, alluminio o gallio per ottenere un semiconduttore di tipo p. Questo crea un ampio bandgap, il che significa che l'elettricità può fluire molto più facilmente a temperature più elevate rispetto al silicio. Inoltre, la conduttività termica del SiC è eccezionale; la sua resistenza alla temperatura si estende fino a 1600degC.

Le prestazioni ad alta temperatura dei semiconduttori SiC li rendono ideali per le applicazioni ad alta corrente, come le auto elettriche. Le auto elettriche richiedono flussi di corrente massicci per accelerare, pur operando in ambienti caldi come deserti o montagne: la superiore resistenza al calore del SiC lo rende la soluzione perfetta.

Sebbene il SiC sia raro in natura, può essere creato sinteticamente attraverso vari processi. Un'opzione prevede la dissoluzione del carbonio nel silicio fuso; un'altra prevede il riscaldamento dell'argilla mista a coke in polvere in un forno elettrico; oppure può essere coltivato direttamente su wafer attraverso processi di deposizione chimica da vapore.

Il doping

Il drogaggio dei semiconduttori di carburo di silicio comporta l'aggiunta di impurità nel reticolo cristallino per modificarne le proprietà e alterarne le caratteristiche. Il drogaggio può essere effettuato tramite impianto ionico o durante il processo di crescita del cristallo; sebbene l'impianto ionico sia preferito per il suo drogaggio uniforme su tutta la superficie, il drogaggio in situ richiede temperature di attivazione più elevate che potrebbero degradare significativamente la mobilità del canale dei transistor a effetto di campo metallo-ossido-semiconduttore, influenzando negativamente le prestazioni del dispositivo.

L'impianto ionico presenta anche una serie di svantaggi. Controllare con precisione la concentrazione di drogante può essere un'impresa ardua, che potrebbe portare a grandi variazioni della struttura a bande del semiconduttore, nonché a numerosi difetti superficiali e a una riduzione della qualità dei prodotti in carburo di silicio.

Per superare questi problemi, è stato ideato un nuovo metodo di drogaggio che utilizza un composto di boro. Questo composto di boro viene poi applicato direttamente sulle superfici del carburo di silicio utilizzando una soluzione contenente metanolo; ciò consente una distribuzione più uniforme degli atomi di boro sulla superficie, con conseguente miglioramento della qualità dei prodotti in carburo di silicio e riduzione del tempo di ricottura di attivazione (He et al. 2010; Tang et al. 2018; Sun et al. 2017b).