El SiC posee excelentes propiedades como material semiconductor, especialmente para componentes de potencia utilizados en la conversión y el control de energía.En comparación con los dispositivos de silicio tradicionales, el SiC ofrece baja resistencia de encendido, conmutación de alta velocidad y funcionamiento a altas temperaturas y voltajes, por lo que es muy popular en fuentes de alimentación, automóviles, ferrocarriles, equipos industriales y electrodomésticos. Si bien el SiC finalmente se puede fabricar mediante síntesis artificial, la producción en masa de componentes de potencia de SiC supuso un gran desafío para los investigadores debido a la extrema dificultad de su procesamiento.

※ ¿Qué es el carburo de silicio (SiC)?

El carburo de silicio es un material semiconductor compuesto por elementos de carbono y silicio.El carburo de silicio (SiC), el nitruro de galio (GaN), el nitruro de aluminio (ALN), el óxido de galio (Ga2O3), etc., se denominan colectivamente materiales semiconductores de banda prohibida ancha porque su ancho de banda prohibida es superior a 2.2 eV. En China también se les conoce como materiales semiconductores de tercera generación.

Desde el punto de vista de los materiales, la industria de los semiconductores se divide en:

Materiales semiconductores elementales de primera generación: como el silicio (Si) y el germanio (Ge);

Materiales semiconductores compuestos de segunda generación: como el arseniuro de galio (GaAs), el fosfuro de indio (InP), etc.;

La tercera generación de materiales de banda prohibida ancha: como el carburo de silicio (SiC), el nitruro de galio (GaN), el nitruro de aluminio (ALN), el óxido de galio (Ga2O3), etc.

Entre ellos, el carburo de silicio y el nitruro de galio son los materiales semiconductores con las perspectivas comerciales más prometedoras en la actualidad, y pueden considerarse la nueva generación de "vía dorada" en la industria de los semiconductores.

El carburo de silicio se descubrió por primera vez en la historia en 1891. El estadounidense Acheson descubrió un compuesto de carbono durante la electrólisis del diamante. Esta fue la primera síntesis y descubrimiento del carburo de silicio. Tras cien años de investigación, especialmente a partir del siglo XXI, la humanidad finalmente ha comprendido las ventajas y características del carburo de silicio y las ha utilizado para fabricar diversos dispositivos nuevos. La industria del carburo de silicio se ha desarrollado rápidamente.

En comparación con los materiales de silicio tradicionales, la banda prohibida del carburo de silicio es 3 veces mayor que la del silicio; la conductividad térmica es de 4 a 5 veces mayor que la del silicio; la tensión de ruptura es 8 veces mayor que la del silicio; y la tasa de deriva de saturación de electrones es 2 veces mayor que la del silicio.Diversas características hacen que el carburo de silicio sea especialmente adecuado para la fabricación de dispositivos de alta frecuencia y alta potencia que puedan soportar altas temperaturas, altos voltajes y altas corrientes.

Actualmente, se conocen alrededor de 200 formas de estructura cristalina del carburo de silicio, incluyendo la estructura cristalina α de esfalerita cúbica compacta (2H, 4H, 6H, 15R) y la estructura cristalina β de wurtzita hexagonal compacta (3C-SiC).

Entre ellas, la estructura cristalina β (3C-SiC) puede utilizarse para fabricar dispositivos de alta frecuencia y sustratos para otros materiales de película delgada, como el crecimiento de capas epitaxiales de nitruro de galio y la fabricación de dispositivos de radiofrecuencia de microondas de nitruro de galio basados ​​en carburo de silicio. La forma cristalina α (4H) puede utilizarse para fabricar dispositivos de alta potencia; la 6H es la más estable y puede utilizarse para fabricar dispositivos optoelectrónicos.

※ Ventajas de rendimiento del carburo de silicio

Si solo consideramos los chips de carburo de silicio, en términos de semiconductores de potencia, el carburo de silicio presenta ventajas incomparables sobre los chips de potencia tradicionales basados ​​en silicio: el carburo de silicio puede soportar mayor corriente y voltaje, mayor velocidad de conmutación, menor pérdida de energía y mayor resistencia a altas temperaturas. Por lo tanto, los módulos de potencia fabricados con carburo de silicio pueden reducir la cantidad de componentes como condensadores, inductores, bobinas y disipadores de calor, lo que hace que el módulo de potencia sea más ligero, ahorre energía y ofrezca una mayor potencia de salida. Además, mejora la fiabilidad. Las ventajas son evidentes. A continuación, se presenta un resumen específico:

1. Una menor impedancia permite un diseño de producto de menor tamaño y una mayor eficiencia;

2. Adecuado para frecuencias más altas y velocidades de conmutación más rápidas;

3. Excelentes características a altas temperaturas, capaz de funcionar a temperaturas elevadas.

※ ¿Por qué es tan caro el carburo de silicio?

Todo el mundo sabe que el carburo de silicio tiene enormes perspectivas de negocio en el futuro, pero cualquiera que se incorpore a esta industria se encontrará con el primer y más práctico problema: ¿qué hacer con el material?

Al menos la mitad del motivo por el que las industrias tradicionales basadas en el silicio se encuentran en un entorno empresarial extremadamente maduro es que los materiales de silicio son relativamente fáciles de obtener.La tecnología de preparación de materiales de silicio, madura y eficiente, hace que estos materiales sean actualmente muy económicos. En la actualidad, una oblea de silicio pulida de 6 pulgadas cuesta solo 150 yuanes, una de 8 pulgadas, 300 yuanes, y una de 12 pulgadas, alrededor de 850 yuanes.

¡Solo cuando las materias primas sean lo suficientemente baratas se podrá expandir la escala de la industria!

Actualmente, utilizando el método Czochralski, se puede cultivar una varilla monocristalina de silicio de unos 2-3 metros en 72 horas, y una sola varilla monocristalina puede cortar miles de obleas de silicio a la vez.

¿Sabes qué grosor puede alcanzar un monocristal de carburo de silicio en 72 horas? ¡Menos de unos pocos centímetros!

Actualmente, el método más rápido para cultivar monocristales de carburo de silicio tiene una tasa de crecimiento de aproximadamente 0.1 mm/h a 0.2 mm/h, por lo que el espesor del cristal es de solo 7.2 mm a 14.4 mm en 72 horas.

Como pueden imaginar, las obleas individuales de carburo de silicio pueden ser muy costosas. Actualmente, el precio de los sustratos de carburo de silicio de 4 pulgadas ronda los 2,000-3,000 yuanes, y los de 6 pulgadas alcanzan los 6,000-8,000 yuanes. Las obleas epitaxiales cuestan al menos más que las X2, y su precio sigue siendo elevado y están agotadas.

Cree, la empresa estadounidense líder mundial en carburo de silicio, prácticamente monopoliza más del 70 % de la capacidad de producción. Por ello, los fabricantes nacionales y extranjeros que se dedican a la transformación de sus productos han firmado contratos a largo plazo con Cree para asegurar su capacidad de producción.

※ Mercado del carburo de silicio

Los MOSFET y los diodos de carburo de silicio se utilizan en aplicaciones solares, de sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS), industriales, automotrices y otras:Se concentra principalmente en inversores para el almacenamiento de energía fotovoltaica, sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS) para servidores de centros de datos, estaciones de carga para redes inteligentes y otras áreas que requieren alta eficiencia de conversión. Sin embargo, con el desarrollo de los vehículos eléctricos e híbridos (xEV) en los últimos años, el SiC también ha irrumpido con fuerza en este nuevo campo. Entre las industrias que más lo utilizan se encuentran la energía (fotovoltaica, carga de vehículos eléctricos, redes inteligentes, etc.), la automoción (sistemas de alimentación a bordo, inversores), la infraestructura (servidores), etc.

En resumen, en un futuro próximo, podemos prever que el carburo de silicio tendrá un impacto revolucionario en la industria de la electrónica de potencia.

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