La adopción de los semiconductores de potencia de carburo de silicio (SiC) en todo tipo de aplicaciones, desde vehículos eléctricos hasta energía solar fotovoltaica y motores industriales, se está acelerando, pero ¿de dónde procede este material? ¿Qué tiene de especial? ¿Y por qué ha tardado tanto el SiC en ganar terreno en la industria de los semiconductores, cuando se utilizó por primera vez como base de los detectores de radio hace más de un siglo?
Polvo de estrellas en las botas
La corteza terrestre se compone de aproximadamente un 28% de silicio y un 0,03% de carbono, por lo que se podría pensar que se encontraría suficiente Carburo de Silicio (SiC) para fabricar unas cuantas matrices de semiconductores pegadas a las suelas de las botas tras un largo paseo por el campo. La única forma de SiC que se encuentra en la naturaleza es en forma de moissonita, restos de una supernova o eyecciones de estrellas gigantes rojas ricas en carbono recogidas en el espacio y que terminan como partículas de tamaño micrométrico en los meteoritos. Polvo de estrellas.
Puede que nunca nos hayamos dado cuenta de la existencia del SiC, pero en 1891 el inventor estadounidense Edward G Acheson intentaba encontrar una forma de producir diamantes artificiales, calentando arcilla (silicato de aluminio) y carbono. Observó que había cristales hexagonales brillantes adheridos a la luz de arco de carbono utilizada para calentar y llamó al compuesto carborundo, pensando que era una forma de alúmina cristalizada como el corindón. Podría haber pensado que había dado con la segunda opción, ya que los rubíes y los zafiros son tipos de corindón, pero se dio cuenta de que tenía algo nuevo, un compuesto casi tan duro como el diamante que podía fabricarse en forma de virutas o polvo a escala industrial con aplicación como abrasivo.
Los LEDs de SiC fueron anteriores a los transistores
A principios del siglo XX, los experimentadores descubrieron que los cristales de varias sustancias, como el germanio, podían dar un «paso asimétrico de la corriente» o rectificación, como lo conocemos, que se utilizaba en las radios de «cristal». Cuando se probó el carburo de silicio, se produjo un extraño fenómeno: el cristal brillaba de color amarillo, a veces verde, naranja o incluso azul. Se había descubierto el primer LED, cuarenta años antes que el transistor.
Como LED, el SiC fue pronto superado por el arseniuro de galio y el nitruro de galio, con una emisión entre 10 y 100 veces mejor, pero, como material, el SiC seguía generando interés en el mundo de la electrónica; tiene una conductividad térmica 3,5 veces mejor que la del silicio y puede estar muy dopado para conseguir una alta conductividad sin dejar de mantener una alta ruptura del campo eléctrico. Desde el punto de vista mecánico, es muy duro, inerte y tiene un coeficiente de expansión térmica muy bajo y un alto grado de temperatura. El SiC ni siquiera se funde: se sublima a unos 2700⁰C.
El SiC es bueno
El SiC era conocido como un buen candidato para un dispositivo semiconductor desde muy pronto, así que ¿qué lo frenó y dejó que el silicio se convirtiera en el estándar? El principal problema fue la eliminación de los defectos en los cristales de SiC, la lista es larga: dislocaciones de borde, dislocaciones de tornillo de diferentes tipos, defectos triangulares y dislocaciones del plano basal. El efecto del cristal no perfecto era un rendimiento de bloqueo inverso muy pobre, lo que hacía que las piezas fueran esencialmente inutilizables desde el punto de vista eléctrico. También hubo problemas para interconectar el SiC con el dióxido de silicio (SiO2) para fabricar los populares tipos de dispositivos MOSFET e IGBT. Sin embargo, el desarrollo continuo ha mejorado la calidad hasta el punto de que las obleas de 6 pulgadas pueden ofrecer un rendimiento aceptable y un avance llamado nitridación o recocido en dióxido de nitrógeno u óxido de nitrógeno permite que las películas de SiO2 crezcan sobre el SiC de forma fiable.
De las rocas en el espacio a las rocas en tu dedo
El SiC ha pasado de ser un abrasivo en tu muela a ser una curiosidad eléctrica resplandeciente hasta la tecnología de semiconductores que permite los vehículos eléctricos de mayor autonomía y los inversores en la energía solar que salva el planeta. Ah, y por cierto, el sueño de Acheson se hizo realidad: las gemas de SiC o Moissanita apenas se distinguen de los diamantes puros.
Aprenda más sobre el rendimiento de los cascodes de SiC en aplicaciones prácticas en unitedsic.com/downloads.
Por Anup Bhalla, vicepresidente de ingeniería de UnitedSiC (www.unitedsic.com)