Evolución de los semiconductores impulsada por la tecnología SiC

La industria de los semiconductores se encuentra en un estado constante de evolución, impulsada por la implacable demanda de dispositivos electrónicos más pequeños, rápidos y eficientes. A medida que las tecnologías tradicionales basadas en silicio se acercan a sus límites teóricos, están surgiendo nuevos materiales para superar los límites del rendimiento. Entre ellos, el carburo de silicio (SiC) se ha distinguido como un material transformador, particularmente para aplicaciones de alta potencia, alta frecuencia y alta temperatura. Esta publicación de blog explora el papel fundamental del SiC en la evolución continua de los semiconductores, profundizando en sus ventajas, aplicaciones y las consideraciones para el suministro de componentes de SiC personalizados.

El panorama de los semiconductores en transformación

Durante décadas, el silicio (Si) ha sido el caballo de batalla indiscutible de la industria de los semiconductores. Sin embargo, el aumento de las densidades de potencia, las frecuencias de funcionamiento y las duras condiciones ambientales en las aplicaciones modernas, desde los vehículos eléctricos hasta la infraestructura 5G y los sistemas de energía renovable, están exponiendo las limitaciones del silicio. Parámetros como el voltaje de ruptura, la conductividad térmica y la movilidad de los electrones en el silicio se están estirando hasta sus máximos factibles. Aquí es donde entran en escena los semiconductores de banda prohibida ancha (WBG), prominentemente el carburo de silicio. El SiC ofrece propiedades de material superiores que se traducen directamente en mejoras significativas del rendimiento en los dispositivos semiconductores, lo que anuncia una nueva era de la electrónica de potencia y los sistemas semiconductores avanzados. El cambio hacia el SiC no es simplemente una actualización incremental; es un cambio fundamental que permite capacidades y eficiencias completamente nuevas en numerosas industrias.

Por qué el SiC es un cambio de juego para los semiconductores

La prominencia del carburo de silicio en la industria de los semiconductores no es accidental; es el resultado directo de sus excepcionales propiedades de material que permiten un rendimiento del dispositivo muy superior al del silicio convencional. Estas ventajas son fundamentales para los ingenieros y diseñadores que buscan crear electrónica de potencia de próxima generación y sistemas de alto rendimiento.

• Campo eléctrico de ruptura más alto: El SiC posee un campo eléctrico de ruptura aproximadamente diez veces superior al del silicio. Esto permite que los dispositivos de SiC bloqueen voltajes significativamente más altos en una capa mucho más delgada, lo que conduce a tamaños de dispositivo más pequeños y una menor resistencia en estado de conducción para una clasificación de voltaje determinada. Esto es crucial para la conversión y distribución de energía de alto voltaje.
• Conductividad térmica superior: El SiC exhibe una conductividad térmica aproximadamente tres veces mejor que la del silicio. Esto permite que los dispositivos de SiC disipen el calor de manera más efectiva, lo que les permite funcionar a temperaturas y densidades de potencia más altas sin requerir sistemas de refrigeración voluminosos. Esta propiedad mejora la fiabilidad y reduce el tamaño y el costo del sistema.
• Banda prohibida más ancha: El SiC tiene una banda prohibida aproximadamente tres veces más ancha que el silicio (por ejemplo, ~3,2 eV para 4H-SiC frente a 1,1 eV para Si). Esta banda prohibida más ancha da como resultado menores corrientes de fuga, especialmente a temperaturas elevadas, y permite temperaturas de funcionamiento más altas, a menudo superiores a 200 °C, en comparación con el límite típico del silicio de 150 °C.
• Mayor velocidad de deriva saturada de electrones: El SiC admite una velocidad de deriva de electrones saturada aproximadamente el doble que la del silicio. Esta característica permite que los dispositivos de SiC funcionen a frecuencias de conmutación más altas, lo que conduce a componentes pasivos más pequeños (inductores, condensadores) en los sistemas convertidores de potencia, lo que aumenta la densidad de potencia y reduce el volumen del sistema.
• Mayor resistencia a la radiación: Los fuertes enlaces atómicos en el SiC lo hacen inherentemente más resistente al daño por radiación en comparación con el silicio. Esto hace que los dispositivos de SiC sean muy adecuados para aplicaciones aeroespaciales, de defensa y de energía nuclear donde la tolerancia a la radiación es un requisito crítico.

Estos beneficios intrínsecos significan que los dispositivos de SiC pueden ser más pequeños, rápidos, eficientes y fiables que sus contrapartes de silicio, particularmente en aplicaciones exigentes. Esto se traduce en ventajas tangibles para los gerentes de adquisiciones y los compradores técnicos, incluidos los costos reducidos del sistema, la eficiencia energética mejorada y la longevidad mejorada del producto.

Aplicaciones clave de SiC en el ecosistema de los semiconductores

Las propiedades superiores del carburo de silicio han desbloqueado una amplia gama de aplicaciones dentro de la industria de los semiconductores, impulsando la innovación y las mejoras de eficiencia. A medida que los ingenieros y especialistas en adquisiciones evalúan los materiales, la comprensión de estos casos de uso específicos destaca la propuesta de valor del SiC.

La tecnología SiC está permitiendo avances en varias áreas clave:

• Electrónica de potencia: Esta es posiblemente el área más importante para el SiC.
  • Inversores y convertidores: Se utiliza en vehículos eléctricos (VE) para inversores de tracción, cargadores integrados (OBC) y convertidores CC-CC. El SiC permite una mayor eficiencia, lo que conduce a una mayor autonomía de los vehículos eléctricos y una carga más rápida. Los inversores solares y los convertidores de turbinas eólicas también se benefician de la eficiencia y la densidad de potencia del SiC.
  • Fuentes de Alimentación: Las fuentes de alimentación industriales, las fuentes de alimentación de granjas de servidores y los rectificadores de telecomunicaciones aprovechan el SiC para reducir el consumo de energía y obtener factores de forma más pequeños.
  • Accionamientos de motor: Los variadores de frecuencia (VFD) basados en SiC para motores industriales ofrecen un mejor control y ahorro de energía.
• Dispositivos de radiofrecuencia (RF):
  • Sistemas de radar: La alta densidad de potencia y la conductividad térmica del SiC son ideales para transistores de RF de alta potencia en sistemas de comunicación y radar militares.
  • Comunicación inalámbrica: Los amplificadores de estaciones base y otros componentes de RF se benefician del rendimiento del SiC a altas frecuencias.
• Electrónica de alta temperatura:
  • Aeroespacial y Defensa: Controles del motor, actuadores y sensores en aeronaves y sistemas de defensa que operan en entornos de temperatura extrema.
  • Exploración de petróleo y gas: Los equipos y sensores de perforación de fondo de pozo requieren electrónica que pueda soportar altas temperaturas y presiones, un dominio en el que el SiC sobresale.
• Automoción (más allá del tren motriz): Si bien los vehículos eléctricos son un impulsor importante, el SiC también se está utilizando en otros sistemas automotrices que requieren una gestión de energía robusta.
• Calentamiento y soldadura industrial: Los dispositivos SiC de alta potencia se utilizan en sistemas de calentamiento por inducción y equipos de soldadura avanzados.
• Iluminación LED: Si bien los propios LED suelen ser GaN-on-SiC u otros materiales, las fuentes de alimentación y los controladores para sistemas LED de alta potencia pueden beneficiarse de los componentes de SiC para mejorar la eficiencia y la longevidad.

La siguiente tabla resume algunas aplicaciones clave y las ventajas de SiC explotadas:

Área de aplicación	Caso de uso específico	Ventajas clave de SiC utilizadas	Industrias objetivo
Electrónica de potencia	Inversores de tracción de vehículos eléctricos, cargadores integrados	Alta eficiencia, alta densidad de potencia, funcionamiento a alta temperatura	Automoción, Energía Renovable
Electrónica de potencia	Inversores solares, convertidores de turbinas eólicas	Alta eficiencia, reducción de la necesidad de refrigeración, longevidad	Energía renovable
Electrónica de potencia	Accionamientos de motor industriales	Ahorro de energía, control preciso, robustez	Fabricación industrial
Dispositivos de RF	Sistemas de radar, amplificadores de estaciones base	Alta potencia de salida, alta frecuencia, estabilidad térmica	Aeroespacial, Defensa, Telecomunicaciones
Electrónica de alta temperatura	Sensores de perforación de fondo de pozo, controles del motor	Alta temperatura de funcionamiento, resistencia a la radiación	Petróleo y gas, aeroespacial, energía nuclear
Fabricación de semiconductores	Mandriles de obleas, susceptores, anillos	Alta pureza, uniformidad térmica, inercia química, durabilidad	Semiconductor

Este diverso panorama de aplicaciones subraya la versatilidad y el papel fundamental del SiC

Propiedades de los materiales: Grados de SiC para la pureza de los semiconductores

No todo el carburo de silicio se crea igual, especialmente cuando se trata de los exigentes requisitos de la industria de los semiconductores. La estructura cristalina específica (politipo) y el nivel de pureza del SiC son factores críticos que determinan su idoneidad para diferentes aplicaciones de semiconductores. Para los jefes de compras y los ingenieros, comprender estas distinciones es clave para obtener los materiales adecuados.

Los principales politipos de SiC relevantes para los dispositivos semiconductores son:

• 4H-SiC: Actualmente, este es el politipo más dominante para dispositivos electrónicos de potencia debido a sus propiedades superiores, incluida una mayor movilidad de los electrones y propiedades más isotrópicas en comparación con otros politipos. Esto se traduce en una menor resistencia en estado de conducción y un mejor rendimiento general del dispositivo. Es el material elegido para MOSFET de alta tensión y diodos Schottky.
• 6H-SiC: Históricamente, el 6H-SiC era más común y más fácil de cultivar con alta calidad. Si bien tiene una movilidad de electrones más baja que el 4H-SiC, todavía se usa para algunas aplicaciones específicas, incluidos ciertos dispositivos de alta frecuencia y como sustrato para la epitaxia de GaN.
• 3C-SiC (SiC cúbico): Este politipo tiene la mayor movilidad de electrones entre los politipos de SiC y, teóricamente, se puede cultivar en sustratos de silicio, lo que podría reducir los costos. Sin embargo, lograr un 3C-SiC de alta calidad y sin defectos en obleas de Si grandes sigue siendo un desafío importante, lo que limita su adopción comercial para dispositivos de potencia convencionales. La investigación continúa debido a sus prometedoras ventajas teóricas.

Más allá de los politípos, la pureza es primordial. El SiC de grado semiconductor, especialmente para sustratos y capas epitaxiales, requiere niveles de pureza extremadamente altos (a menudo >99,999%). Los contaminantes pueden introducir estados electrónicos no deseados, aumentar la densidad de defectos y degradar el rendimiento y la fiabilidad de los dispositivos. Los procesos de fabricación del SiC semiconductor, como el transporte físico de vapor (PVT) para el crecimiento de cristales a granel y la deposición química de vapor (CVD) para la epitaxia, se controlan meticulosamente para alcanzar estos niveles de pureza.

Las consideraciones clave para el SiC de grado semiconductor incluyen:

• Densidad de microporos (MPD): Los micropipos son dislocaciones de tornillo de núcleo hueco que pueden ser defectos mortales en los dispositivos de SiC. Un bajo MPD (idealmente cero) es crucial para la fabricación de alto rendimiento de dispositivos de gran área.
• Densidad de dislocación del plano basal (BPD): Los BPD pueden causar degradación bipolar en los dispositivos de SiC. Los esfuerzos de I+D se centran en reducir la densidad de BPD en sustratos y epiláminas de SiC.
• Calidad de la Superficie: Las superficies atómicamente lisas con un daño subsuperficial mínimo son esenciales para el posterior crecimiento epitaxial y la fabricación de dispositivos. Esto requiere técnicas precisas de pulido y limpieza.
• Uniformidad del dopaje: Para los sustratos y capas epitaxiales de SiC conductores, la distribución uniforme de los dopantes (como el nitrógeno para el tipo n o el aluminio para el tipo p) es fundamental para obtener características de dispositivo consistentes.

Los compradores técnicos deben asegurarse de que sus proveedores de SiC puedan proporcionar materiales con el politipo, la pureza y las características de defecto específicas requeridas para sus aplicaciones objetivo. Las hojas de especificaciones de materiales detalladas y las certificaciones de calidad son esenciales a este respecto.

Superar los obstáculos de fabricación: Producción de obleas de SiC

El viaje del carburo de silicio desde la materia prima hasta una oblea de semiconductor terminada está plagado de desafíos técnicos. Si bien las propiedades del SiC son muy deseables, su dureza inherente y su estabilidad química hacen que el procesamiento sea significativamente más complejo y costoso que el silicio tradicional. Comprender estos obstáculos es importante para apreciar el valor y los plazos asociados con las obleas de SiC de alta calidad.

Los principales desafíos de fabricación incluyen:

• Crecimiento de cristales (producción de boule):
  • Altas temperaturas: El SiC se sublima en lugar de fundirse a presión atmosférica, lo que requiere temperaturas de crecimiento superiores a 2000 °C (normalmente mediante transporte físico de vapor – PVT). Mantener temperaturas altas estables y uniformes es una importante hazaña de ingeniería.
  • Control de defectos: Controlar los defectos cristalográficos como los micropipos, las dislocaciones de tornillo y los fallos de apilamiento durante el crecimiento de boule es extremadamente difícil. Estos defectos pueden afectar gravemente el rendimiento y la producción del dispositivo.
  • Tasas de crecimiento lentas: El crecimiento de cristales de SiC es un proceso lento, lo que limita el rendimiento y contribuye a mayores costos.
  • Incorporación de dopantes: Lograr un dopaje uniforme y controlado (tipo n o tipo p) durante el crecimiento es complejo debido a las altas temperaturas involucradas.
• Corte y conformación de obleas:
  • Dureza: El SiC es uno de los materiales sintéticos más duros (dureza Mohs de 9,0-9,5), lo que dificulta mucho el corte de boules en obleas y, posteriormente, su conformación. Son necesarias sierras de hilo y herramientas de rectificado impregnadas de diamante, pero estas se desgastan rápidamente, lo que aumenta los costos.
  • Desperdicio de material: Los procesos de corte y rectificado pueden provocar una importante pérdida de material (pérdida de corte).
• Pulido y aplanamiento:
  • Lograr superficies atómicamente lisas: La creación de superficies planas atómicamente y sin daños requeridas para la epitaxia es un proceso de varios pasos que implica rectificado mecánico, lapeado y pulido químico-mecánico (CMP). Cada paso debe controlarse con precisión para eliminar el daño subsuperficial introducido por los pasos anteriores.
  • Rugosidad superficial: La rugosidad de la superficie objetivo suele estar en el rango angstrom (por ejemplo, <0,5 nm RMS).
• Crecimiento epitaxial:
  • Capas de alta calidad: El crecimiento de capas epitaxiales delgadas de SiC dopadas con precisión (normalmente mediante depósito químico de vapor – CVD) con bajas densidades de defectos en sustratos de SiC es fundamental para la fabricación de dispositivos. Mantener la estequiometría y la uniformidad en obleas grandes es un desafío.
  • Grosor de la capa de deriva y control del dopaje: Para los dispositivos de potencia, el grosor y la concentración de dopaje de la capa de deriva deben controlarse con precisión para lograr el voltaje de ruptura y la resistencia en estado de conducción deseados.
• Costo: La combinación de procesos complejos, equipos especializados, alto consumo de energía, lentas tasas de crecimiento y dureza del material contribuye a que las obleas de SiC sean significativamente más caras que las de silicio. Sin embargo, la I+D en curso y las economías de escala están reduciendo gradualmente estos costes.

Superar estos retos requiere una gran experiencia en ciencia de materiales, crecimiento de cristales, mecánica de precisión y procesamiento químico. Las empresas especializadas en la producción de obleas de SiC invierten mucho en I+D para mejorar la calidad del cristal, aumentar el diámetro de las obleas (que actualmente se aproxima a los 200 mm), reducir la densidad de defectos y disminuir los costes de fabricación. Para los compradores técnicos, asociarse con proveedores que demuestren un sólido historial en la superación de estas complejidades de fabricación es crucial para garantizar un suministro estable de obleas de alta calidad.

Diseño de dispositivos semiconductores de próxima generación con SiC

La transición al carburo de silicio abre nuevas fronteras para el diseño de dispositivos semiconductores, lo que permite a los ingenieros crear componentes que superan las limitaciones de rendimiento del silicio. Sin embargo, aprovechar eficazmente las propiedades únicas del SiC requiere una cuidadosa consideración durante la fase de diseño. Los ingenieros deben adaptar sus enfoques para tener en cuenta tanto las ventajas como las características específicas del SiC.

Las consideraciones clave de diseño para los dispositivos semiconductores basados en SiC incluyen:

• Estrategia de gestión térmica:
  • Si bien el SiC tiene una excelente conductividad térmica, las mayores densidades de potencia alcanzables significan que la disipación de calor efectiva sigue siendo primordial. Las consideraciones de diseño incluyen los materiales de fijación de la matriz, las opciones de sustrato y el diseño general del paquete para garantizar vías térmicas eficientes lejos del dispositivo SiC activo.
  • La capacidad de operar a temperaturas de unión más altas puede simplificar los sistemas de refrigeración, pero debe tenerse en cuenta en los cálculos de fiabilidad y vida útil de todo el módulo.
• Diseño del controlador de puerta (para MOSFET de SiC):
  • Los MOSFET de SiC a menudo requieren diferentes niveles de voltaje de accionamiento de puerta (por ejemplo, un voltaje positivo más alto para una mejora completa, a veces un voltaje negativo para un apagado robusto) en comparación con los IGBT o MOSFET de silicio.
  • Las velocidades de conmutación más rápidas de los dispositivos de SiC exigen controladores de puerta con bajas inductancias parásitas y la capacidad de proporcionar altas corrientes máximas para cargar y descargar rápidamente la capacitancia de la puerta. Esto minimiza las pérdidas de conmutación.
  • Las funciones de protección como la detección de desaturación (Desat) y la protección contra cortocircuitos deben optimizarse para las características del SiC.
• Diseño y gestión de parásitos:
  • Las altas velocidades de conmutación (dV/dt y dI/dt) de los dispositivos de SiC pueden exacerbar los problemas con las inductancias y capacitancias parásitas en el paquete del dispositivo y los circuitos circundantes. Esto puede provocar sobretensiones de voltaje, timbres y problemas de EMI.
  • El diseño cuidadoso, la minimización de las inductancias de bucle y el uso de condensadores de desacoplo adecuados son fundamentales. A menudo se emplean soluciones de embalaje avanzadas, incluidos sustratos de cobre de unión directa (DBC) y módulos de chips múltiples.
• Paralelización de dispositivos:
  • Para aplicaciones de alta corriente, es posible que se deban conectar en paralelo varios dispositivos de SiC. El coeficiente de temperatura positivo de la resistencia en estado de conducción en los MOSFET de SiC ayuda a compartir la corriente, pero el diseño cuidadoso del accionamiento de la puerta y los diseños simétricos siguen siendo esenciales para evitar la fuga térmica y garantizar una distribución equilibrada de la corriente.
• Características del diodo de cuerpo (MOSFET de SiC):
  • El diodo de cuerpo intrínseco de los MOSFET de SiC tiene características diferentes a las de los diodos de cuerpo de los MOSFET de silicio, a menudo exhibiendo una caída de voltaje directo más alta. Si bien es adecuado para algunas aplicaciones, en otras que requieren rueda libre frecuente, un diodo Schottky de SiC externo podría empaquetarse conjuntamente o usarse en paralelo para un mejor rendimiento.
  • Las nuevas generaciones de MOSFET de SiC presentan un rendimiento mejorado del diodo de cuerpo.
• Explotar la capacidad de alta temperatura:
  • Los diseños pueden aprovechar la capacidad del SiC para operar de manera confiable a temperaturas de unión de 175 °C o incluso 200 °C y más. Esto puede reducir el tamaño y el costo de los sistemas de refrigeración o permitir el funcionamiento en entornos ambientales más hostiles. Sin embargo, los componentes circundantes y los materiales de embalaje también deben estar clasificados para estas temperaturas.
• Compensaciones de costes frente a rendimiento:
  • Si bien los dispositivos de SiC ofrecen un rendimiento superior, generalmente son más caros que sus contrapartes de silicio. Los diseñadores deben evaluar los beneficios totales a nivel de sistema (por ejemplo, refrigeración reducida, pasivos más pequeños, mayor eficiencia) para justificar el costo de los componentes. En muchas aplicaciones, los ahorros a nivel de sistema superan el mayor costo del dispositivo.

El diseño exitoso con SiC implica un enfoque holístico, considerando la interacción entre el dispositivo, su paquete, el controlador de puerta y la topología general del sistema. La colaboración con fabricantes experimentados de componentes de SiC puede proporcionar información valiosa y soporte de aplicaciones para optimizar los diseños para obtener el máximo rendimiento y fiabilidad.

El papel de la personalización en el SiC para semiconductores

Si bien los componentes de carburo de silicio estándar y disponibles en el mercado satisfacen muchas necesidades en la industria de los semiconductores, la búsqueda de un rendimiento optimizado, factores de forma únicos y características específicas de la aplicación a menudo requiere soluciones de SiC personalizadas. La personalización permite a los ingenieros y diseñadores adaptar las propiedades y geometrías del SiC a sus requisitos precisos, desbloqueando mayores eficiencias y ventajas competitivas. Esto es particularmente cierto para piezas de equipos de fabricación de semiconductores especializados (mandriles, anillos, susceptores) y sustratos de dispositivos avanzados o capas epitaxiales.

Los beneficios de las soluciones de SiC personalizadas en la esfera de los semiconductores incluyen:

• Rendimiento optimizado: Perfiles de dopaje personalizados, orientaciones cristalinas específicas o estructuras de capas epitaxiales únicas se pueden diseñar para mejorar las características del dispositivo, como el voltaje de ruptura, la resistencia en estado de conducción o la velocidad de conmutación para una aplicación en particular.
• Geometrías y factores de forma específicos: La fabricación de semiconductores implica equipos intrincados donde componentes como los susceptores de SiC, los mandriles de obleas o los anillos de borde deben ajustarse a dimensiones precisas. La fabricación personalizada garantiza una integración perfecta y una uniformidad térmica o de plasma óptima.
• Gestión térmica mejorada: Los disipadores de calor o sustratos de SiC personalizados se pueden diseñar con grosores y acabados superficiales específicos para maximizar la disipación térmica para módulos de alta potencia.
• Integración con otros materiales: Los componentes de SiC personalizados se pueden diseñar para la unión o integración con otros materiales, lo que facilita el montaje de módulos complejos.
• Pureza de material mejorada o grados específicos: Algunas aplicaciones de vanguardia podrían requerir niveles de pureza aún mayores o politipos de SiC específicos que no están comúnmente disponibles como productos estándar. La producción personalizada puede abordar estos requisitos de nicho.

Reconociendo la creciente demanda de soluciones a medida, han surgido proveedores especializados. La ciudad de Weifang (China), que alberga más de 40 empresas de producción de carburo de silicio de diversos tamaños, es un importante centro mundial de este tipo de conocimientos. En conjunto, estas empresas representan más de 80% de la producción total de carburo de silicio de China. Dentro de este ecosistema dinámico, Sicarb Tech destaca. Desde 2015, hemos desempeñado un papel decisivo en la introducción y aplicación de tecnología avanzada de producción de carburo de silicio, ayudando significativamente a las empresas locales a lograr una producción a gran escala y avances tecnológicos. Nuestra profunda implicación nos ha permitido ser testigos y contribuir a la aparición y el desarrollo continuo de este centro vital de la industria del carburo de silicio.

Sicarb Tech, que opera bajo el paraguas del Parque de Innovación de la Academia China de Ciencias (Weifang) y en estrecha colaboración con el Centro Nacional de Transferencia de Tecnología de la Academia China de Ciencias , aprovecha las formidables capacidades científicas y tecnológicas de la Academia China de Ciencias. Ofrecemos una sólida plataforma para personalizar productos de SiC, respaldados por un equipo profesional de primer nivel especializado en la producción personalizada de una amplia gama de componentes de SiC. Nuestra experiencia abarca la ciencia de los materiales, la ingeniería de procesos, la optimización del diseño y tecnologías meticulosas de medición y evaluación. Este enfoque integrado, desde las materias primas hasta los productos terminados, nos permite satisfacer las diversas y complejas necesidades de personalización de la industria de los semiconductores y más allá, garantizando soluciones de mayor calidad y rentables.

Garantía de calidad y pruebas en componentes de SiC

Las excepcionales características de rendimiento de los dispositivos de carburo de silicio solo se pueden realizar si los materiales y componentes subyacentes cumplen con los estrictos estándares de calidad. Para las aplicaciones de semiconductores, donde incluso las imperfecciones mínimas pueden provocar fallos en el dispositivo o un rendimiento degradado, la garantía de calidad (QA) y los protocolos de prueba integrales son innegociables. Los jefes de compras y los ingenieros deben priorizar a los proveedores que demuestren un compromiso inquebrantable con el control de calidad durante todo el proceso de fabricación de SiC.

Los aspectos clave de la garantía de calidad y las pruebas de los componentes de SiC de grado semiconductor incluyen:

• Caracterización del material:
  • Verificación del politipo: Se utilizan técnicas como la espectroscopia Raman o la difracción de rayos X (XRD) para confirmar el politipo de SiC correcto (por ejemplo, 4H-SiC, 6H-SiC).
  • Análisis de pureza: La espectrometr
  • Mapeo de Resistividad: Las mediciones con sonda de cuatro puntos o los métodos de corrientes de Foucault mapean la distribución de la resistividad a través de las obleas para asegurar la uniformidad del dopaje.
• Metrología de Defectos:
  • Densidad de microporos (MPD): Se utiliza la inspección óptica automatizada después del grabado con KOH o técnicas no destructivas como el mapeo de fotoluminiscencia (PL) o la topografía de rayos X (XRT) para contar y mapear micropipos.
  • Densidad de Dislocación: Se emplean técnicas similares (grabado, PL, XRT) para cuantificar otras dislocaciones como las Dislocaciones del Plano Basal (BPD) y las Dislocaciones de Tornillo de Enhebrado (TSD).
  • Defectos de apilamiento: Las imágenes de PL son particularmente efectivas para identificar fallas de apilamiento en las capas epitaxiales.
• Evaluación de la Calidad de la Superficie y Subsuperficie:
  • Rugosidad superficial: La Microscopía de Fuerza Atómica (AFM) mide la rugosidad de la superficie a escala de angstrom o nanómetro.
  • Contaminación de la Superficie: La Fluorescencia de Rayos X por Reflexión Total (TXRF) o la Descomposición en Fase Vapor (VPD) seguida de ICP-MS pueden detectar contaminantes metálicos en la superficie.
  • Daño Subsuperficial: Técnicas como la Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM) de corte transversal o el grabado especializado pueden revelar capas de daño por rectificado o pulido.
• Metrología dimensional:
  • Medición precisa del diámetro, el grosor, la comba, la deformación y la planitud del sitio de la oblea utilizando herramientas de metrología automatizadas.
  • Para componentes personalizados, las CMM (Máquinas de Medición por Coordenadas) o la perfilometría óptica verifican las dimensiones y tolerancias críticas.
• Caracterización de la Capa Epitaxial:
  • Uniformidad del grosor: Espectroscopía Infrarroja por Transformada de Fourier (FTIR) o elipsometría espectroscópica.
  • Concentración y Uniformidad del Dopaje: Mediciones de Capacitancia-Voltaje (CV), SIMS.
  • Morfología de la Superficie: Microscopía de Nomarski, AFM.
• Pruebas Eléctricas (para dispositivos terminados o estructuras de prueba):
  • Sondeo en la oblea de parámetros como el voltaje de ruptura, la resistencia en estado de encendido, la corriente de fuga y el voltaje umbral.
  • Pruebas dinámicas para evaluar las características de conmutación.
• Control de Procesos y Trazabilidad:
  • Control Estadístico de Procesos (SPC) durante la fabricación.
  • Trazabilidad del lote desde la materia prima hasta el producto terminado.
  • Cumplimiento de los estándares de la industria (por ejemplo, los estándares SEMI para obleas).

Los proveedores fiables de SiC invierten mucho en equipos de metrología avanzados y mantienen rigurosos sistemas de control de calidad. Deben ser capaces de proporcionar hojas de datos completas, certificados de conformidad e informes de pruebas detallados para sus productos. Para los componentes personalizados, a menudo es beneficioso el desarrollo colaborativo de un Plan de Calidad, que describa los parámetros críticos y los métodos de inspección. Esto garantiza que el producto final de SiC cumpla consistentemente con las exigentes demandas de la fabricación de semiconductores y el rendimiento de los dispositivos.

Tendencias futuras: SiC superando los límites de los semiconductores

El impacto del carburo de silicio en la industria de los semiconductores ya es profundo, pero la tecnología está lejos de ser estática. La investigación y el desarrollo en curso están empujando continuamente los límites de las capacidades del SiC, prometiendo avances aún más emocionantes en los años venideros. Para las empresas de los sectores de los semiconductores, la automoción, la aeronáutica y la energía, mantenerse al día de estas tendencias es crucial para el diseño a prueba de futuro y el mantenimiento de una ventaja competitiva.

Las principales tendencias futuras en la tecnología SiC incluyen:

• Diámetros de Oblea Más Grandes: La transición de obleas de SiC de 150 mm (6 pulgadas) a 200 mm (8 pulgadas) está en marcha. Las obleas más grandes reducen significativamente el coste por chip, haciendo que los dispositivos de SiC sean más competitivos económicamente con el silicio. La investigación también está explorando la viabilidad de las obleas de SiC de 300 mm (12 pulgadas), aunque esto presenta importantes retos técnicos.
• Calidad de Cristal Mejorada y Reducción de Defectos: El objetivo principal sigue siendo la reducción de las densidades de defectos (micropipos, BPD, TSD) en los sustratos y capas epitaxiales de SiC. Las menores densidades de defectos conducen a mayores rendimientos de los dispositivos, una mayor fiabilidad y la capacidad de fabricar chips de SiC más grandes y potentes.
• Técnicas Avanzadas de Epitaxia: Las innovaciones en los procesos de CVD, incluidos los nuevos precursores y diseños de reactores, persiguen velocidades de crecimiento más rápidas, una mayor uniformidad en obleas de gran tamaño y un control más preciso de los perfiles de dopaje y el grosor de las capas. Esto incluye el desarrollo de capas de deriva más gruesas para dispositivos de voltaje ultraalto (>10 kV).
• Nuevas Estructuras de Dispositivos:
  • MOSFET de Zanja de SiC: Si bien los MOSFET de SiC planos son comunes, las estructuras de puerta de zanja ofrecen