L’adozione dei semiconduttori di potenza in carburo di silicio (SiC) in tutto, dai veicoli elettrici al fotovoltaico solare e ai motori industriali, sta accelerando, ma da dove viene il materiale? Cosa c’è di così speciale? E perché c’è voluto così tanto tempo perché il SiC guadagnasse terreno nell’industria dei semiconduttori, quando è stato usato per la prima volta come base per i rivelatori radio oltre un secolo fa?
Polvere di stelle sui tuoi stivali
La crosta terrestre comprende circa il 28% di silicio e lo 0,03% di carbonio, quindi si potrebbe pensare di trovare abbastanza Carburo di Silicio (SiC) per fare qualche matrice di semiconduttore attaccata alla suola dei tuoi stivali dopo una lunga passeggiata in campagna. Se la passeggiata fosse sopra un cratere da impatto meteoritico si potrebbe trovare qualche granello – l’unico SiC presente in natura è sotto forma di Moissonite, detriti di una supernova o ejecta di stelle giganti rosse ricche di carbonio raccolte nello spazio e finite come particelle di micron nei meteoriti. Polvere di stelle davvero.
Potremmo non aver mai notato l’esistenza di SiC ma nel 1891 l’inventore americano Edward G Acheson stava cercando di trovare un modo per produrre diamanti artificiali, riscaldando argilla (silicato di alluminio) e carbonio. Notò dei cristalli esagonali brillanti attaccati alla luce dell’arco di carbonio usato per il riscaldamento e chiamò il composto carborundum, pensando che fosse una forma di allumina cristallizzata come il corindone. Avrebbe potuto pensare di aver colpito la seconda scelta, dato che rubini e zaffiri sono tipi di corindone, ma si rese conto di avere qualcosa di nuovo, un composto duro quasi quanto il diamante che poteva essere prodotto come chip o polvere su scala industriale con applicazione come abrasivo.
I LED di silicio sono arrivati prima dei transistor
All’inizio del XX secolo, gli sperimentatori stavano scoprendo che i cristalli di varie sostanze come il germanio potevano dare un ‘passaggio asimmetrico di corrente’ o rettificazione come la conosciamo noi, che ha trovato uso nelle radio ‘a cristallo’. Quando si provò il carburo di silicio, si verificò uno strano fenomeno: il cristallo si illuminava di giallo, a volte di verde, arancione o anche di blu. Il primo LED era stato scoperto, quarant’anni prima del transistor.
Come LED, il SiC fu presto superato dall’arseniuro di gallio e dal nitruro di gallio con un’emissione 10-100 volte migliore, ma, come materiale, il SiC continuava a suscitare interesse nel mondo dell’elettronica; ha una conducibilità termica 3,5 volte migliore del silicio e può essere pesantemente drogato per un’alta conducibilità, pur mantenendo un’alta ripartizione del campo elettrico. Meccanicamente, è molto duro, inerte e ha un coefficiente di espansione termica molto basso e un’alta temperatura. Il SiC non si fonde nemmeno – sublima a circa 2700⁰C.
Il SiC rende bene
Il SiC era conosciuto come un buon candidato per un dispositivo semiconduttore molto presto, quindi cosa lo ha trattenuto e ha lasciato che il silicio diventasse lo standard? Il problema principale era l’eliminazione dei difetti nei cristalli di SiC, la lista è lunga: dislocazioni di bordo, dislocazioni a vite di diversi tipi, difetti triangolari e dislocazioni sul piano basale. L’effetto del cristallo non perfetto era una performance di blocco inverso molto scarsa, rendendo le parti essenzialmente inutilizzabili dal punto di vista elettrico. C’erano anche problemi nell’interfacciare il SiC con il biossido di silicio (SiO2) per fabbricare i popolari tipi di dispositivi MOSFET e IGBT. Lo sviluppo continuo, tuttavia, ha migliorato la qualità in modo tale che wafer da 6 pollici possono dare una resa accettabile e una svolta chiamata nitrurazione o ricottura in diossido di azoto o ossido di azoto permette di far crescere film di SiO2 su SiC in modo affidabile.
Dalle rocce nello spazio alle rocce sul tuo dito
Il SiC si è evoluto da un abrasivo sulla tua mola attraverso una curiosità elettrica incandescente alla tecnologia dei semiconduttori che permette veicoli elettrici a più lungo raggio e inverter in energia solare salva pianeta. Oh, e a proposito, il sogno di Acheson era bello che realizzato – le gemme SiC o Moissanite si distinguono a malapena dai diamanti puri.
Per saperne di più su come i cascodi SiC superano le prestazioni nelle applicazioni pratiche visitate unitedsic.com/downloads.
Di Anup Bhalla, VP Engineering at UnitedSiC (www.unitedsic.com)