Semicondutor de carbeto de silício

O carbeto de silício (SiC) é um semicondutor avançado que supera muitas das limitações encontradas nos dispositivos tradicionais de silício. Com um bandgap três vezes maior do que o do silício e condutividade térmica aprimorada, os dispositivos de SiC são ideais para lidar com tensões e temperaturas mais altas do que os dispositivos de silício.

Este artigo apresentará as propriedades básicas e as vantagens do SiC que aceleraram sua ampla popularidade em aplicações de eletrônica de potência. Analisaremos várias técnicas de crescimento de cristais epitaxiais, bem como a caracterização física de camadas crescidas.

Bandgap

O amplo bandgap do carbeto de silício o torna ideal para aplicações de comutação de conversão de energia, permitindo que ele manipule tensões, correntes e temperaturas mais altas do que os semicondutores típicos à base de silício, o que leva a projetos menores com custos de sistema reduzidos.

O bandgap de qualquer material refere-se à energia necessária para que os elétrons se movam das bandas de valência dos átomos para as bandas de condução desses mesmos átomos, com materiais de bandgap largo atuando como condutores, enquanto aqueles com bandgap mais estreito atuam como isolantes; o carbeto de silício apresenta bandgap três vezes maior do que o do silício, o que o torna um material semicondutor incrivelmente eficiente.

Os materiais de banda larga não dependem de altas tensões para ativar a energia térmica; em vez disso, eles podem operar em temperaturas muito mais altas - até 300 graus C, em comparação com o limite máximo de 175 graus C do silício.

O bandgap do carbeto de silício também pode proporcionar várias vantagens às aplicações automotivas, reduzindo os custos do sistema e, ao mesmo tempo, melhorando a eficiência e reduzindo os sistemas de resfriamento ativo que aumentam o peso e a complexidade dos veículos elétricos. A integração do carbeto de silício em circuitos de comutação de conversão de energia exige um conhecimento exclusivo, pois ele deve ser dimensionado e configurado adequadamente de acordo com as especificações de desempenho do aplicativo; também é necessário adotar uma abordagem holística ao considerar as compensações entre os custos de resfriamento e os benefícios de custo do material e as vantagens de desempenho do carbeto de silício.

Força do campo de ruptura

O carbeto de silício (SiC) é um material semicondutor inovador com várias vantagens para aplicações de eletrônica de potência, como alta capacidade de tensão de bloqueio, tempos de comutação rápidos e perdas reduzidas. Os dispositivos baseados em SiC também têm maior intensidade de campo de ruptura do que os baseados em silício, permitindo que os projetistas aumentem o fluxo de corrente em determinados tamanhos de dispositivo.

A intensidade do campo de ruptura dos semicondutores é diretamente proporcional à sua lacuna de energia, que determina se eles agem ou não como condutores ou isolantes. Os condutores permitem que os elétrons passem livremente entre suas bandas de valência e de condução, enquanto que, para os isolantes, são necessárias quantidades significativas de energia para atravessar essas barreiras entre as bandas; o SiC tem uma lacuna de energia excepcionalmente ampla, o que o torna um condutor com maior intensidade de campo de ruptura do que outros materiais, como o Si.

O SiC pode ser modificado por dopagem com impurezas, como alumínio, boro, gálio ou nitrogênio; suas propriedades elétricas podem ser adaptadas alterando sua composição química com dopantes (impurezas). A dopagem pode fazer com que o SiC atue como um isolante, dopando-o com esses elementos, ou faça com que ele se comporte como um semicondutor, adicionando nitrogênio ou fósforo - dependendo da concentração e da distribuição espacial dos dopantes, isso é fundamental para seu desempenho em dispositivos; portanto, sua concentração e distribuição devem ser verificadas para garantir que não haja contaminantes prejudiciais.

Temperatura

Os semicondutores de carbeto de silício (SiC) oferecem vários benefícios importantes para aplicações de eletrônica de potência, incluindo alta tensão de ruptura, velocidades de comutação mais rápidas, menores perdas e resistência à radiação, o que os torna adequados para muitos projetos e projetos com requisitos de resfriamento reduzidos devido à operação em temperaturas mais altas. A capacidade dos semicondutores de SiC de operar em temperaturas elevadas também significa menor necessidade de resfriamento, resultando em dispositivos menores e mais leves.

O SiC é um material semicondutor que pode ser dopado com nitrogênio e fósforo para produzir um semicondutor do tipo n, ou dopado com boro, alumínio ou gálio para produzir um semicondutor do tipo p. Isso cria um amplo bandgap, o que significa que a eletricidade pode fluir mais prontamente em temperaturas mais altas do que com o silício. Isso cria um amplo bandgap, o que significa que a eletricidade pode fluir muito mais prontamente em temperaturas mais altas do que com o silício. Além disso, a condutividade térmica do SiC é excepcional; sua resistência à temperatura se estende até 1600degC.

O desempenho em alta temperatura dos semicondutores SiC os torna ideais para aplicações que envolvem alta corrente, como carros elétricos. Os carros elétricos exigem fluxos de corrente maciços para acelerar, enquanto operam em ambientes quentes, como desertos ou montanhas - a resistência superior ao calor do SiC o torna a solução perfeita.

Embora o SiC seja raro na natureza, ele pode ser criado sinteticamente por meio de vários processos. Uma opção envolve a dissolução de carbono em silício fundido; outra opção envolve o aquecimento de argila misturada com coque em pó em um forno elétrico; ou pode até mesmo ser cultivado diretamente em wafers por meio de processos de deposição de vapor químico.

Doping

A dopagem de semicondutores de carbeto de silício envolve a adição de impurezas em sua estrutura cristalina para modificar suas propriedades e alterar suas características. A dopagem pode ser realizada por meio de implantação de íons ou durante o processo de crescimento de cristais na dopagem in-situ; embora a implantação de íons seja preferida devido à dopagem uniforme em toda a superfície, a dopagem in-situ exige temperaturas de ativação mais altas que podem degradar significativamente a mobilidade do canal de transistores de efeito de campo semicondutores de óxido metálico, afetando negativamente o desempenho do dispositivo.

A implantação de íons também apresenta suas desvantagens. O controle preciso da concentração de dopantes pode ser um desafio, o que pode resultar em grandes variações na estrutura da banda do semicondutor, bem como em vários defeitos de superfície e na redução da qualidade dos produtos de carbeto de silício.

Para superar esses problemas, foi desenvolvido um novo método de dopagem que emprega um composto de boro. Esse composto de boro é então aplicado diretamente sobre as superfícies de carbeto de silício usando uma solução contendo metanol; isso permite uma distribuição mais uniforme dos átomos de boro em toda a superfície, levando a uma melhor qualidade dos produtos de carbeto de silício e à redução do tempo de recozimento de ativação (He et al. 2010; Tang et al. 2018; Sun et al. 2017b).