Introducción
Los avances tecnológicos en la industria de la electrónica de potencia están en auge gracias a las obleas de carburo de silicio. Estos materiales semiconductores especializados ofrecen características únicas que los convierten en la mejor opción para la producción de dispositivos que requieren alta frecuencia y alta potencia. Este artículo explorará las obleas de carburo de silicio, sus características y aplicaciones.
Características de las obleas de carburo de silicio
Una oblea de carburo de silicio (SiC) es una pieza delgada de material cristalino producida a partir del compuesto semiconductorCarburo de silicio. Estos dos elementos en la oblea semiconductora tienen sus átomos unidos covalentemente, creando una estructura reticular cristalina rígida, conocida por su alta estabilidad. En esencia, posee una dureza excepcional y la capacidad de conducir el calor, manteniendo un buen rendimiento en los dispositivos.
Las obleas de SiC poseen un ancho de banda amplio (aproximadamente 3,3 eV) que permite que cualquier dispositivo en el que se coloquen produzca su mejor resultado a temperaturas y voltajes elevados.
Las obleas de carburo de silicio pueden presentarse en diversas formas, siendo las principales los formatos 4H-SiC y 6H-SiC, utilizados en diversos sectores, especialmente en la industria de la electrónica de potencia. La estructura de la red cristalina de la oblea se representa con la letra H, mientras que la secuencia de apilamiento de los átomos dentro de la estructura cristalina se representa con los números 4 y 6.
Estas obleas semiconductoras, o sustratos, como a veces se les denomina, son excelentes para transferir calor de un punto a otro, resistir la oxidación, aumentar la eficiencia y, además, ser superiores a las obleas de silicio. Presentan una gran conductividad eléctrica; por lo tanto, se utilizan en aplicaciones que abarcan desde vehículos eléctricos (VE) hasta chips de computadora, la industria aeroespacial, láseres, LED, receptores ópticos, diodos Schottky, transistores MOSFET, células solares y circuitos integrados.
Con un diámetro estándar entre 150 mm y 200 mm y una superficie plana y elegante, los dispositivos de oblea de SiC tienden a tener velocidades de conmutación mejores y más rápidas, tamaños más pequeños y una inmunidad impresionante al sobrecalentamiento debido a su capacidad para gestionar altas temperaturas y voltajes.
Dopaje de obleas de SiC
Para controlar las propiedades eléctricas de las obleas de carburo de silicio, se ha adoptado con el tiempo un proceso denominado dopaje. Este consiste en la introducción de impurezas en las obleas de SiC mediante diversas técnicas, como la implantación iónica y el dopaje inmóvil durante el crecimiento epitaxial. Estas técnicas se han perfeccionado con el tiempo, lo que ha permitido controlar la activación y las concentraciones del dopaje. Algunos de estos dopantes incluyen el nitrógeno (tipo n) rico en electrones y el boro, que controla la conductividad tipo p.
Tipos de obleas de SiC
Hay dos tipos principales de obleas de SiC:
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oblea de SiC pulida
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Oblea de SiC cristalino epitaxial
La oblea de SiC pulida es un disco único de carburo de silicio compuesto por cristales de SiC altamente purificados, utilizados principalmente en electrónica de alta potencia. Están disponibles en diámetros que van desde 100 mm hasta 150 mm.
Por otro lado, la oblea de SiC cristalino epitaxial, también llamada epitaxia de tipo n, se forma mediante la adición de varios cristales de carburo de silicio a una superficie. En este caso, el espesor del material se controla cuidadosamente.
Propiedades de las obleas de carburo de silicio
Algunas de las cualidades únicas que hacen que las obleas de SiC sean excepcionales son:
1. Utilización eficiente de la energía.
2. Longevidad y capacidad de trabajar a altas frecuencias.
3. Capacidad de operar en temperaturas de hasta 200°C.
4. Bajas pérdidas de conmutación.
5. Alta conductividad térmica
6. Menor expansión térmica.
7. Fuerte movilidad de electrones y huecos.
8. Campo eléctrico de ruptura alto.
9. Impresionante resistencia térmica.
10. Excelente resistencia a la oxidación y condiciones adversas.
Comparación entre obleas de carburo de silicio de grado de primera calidad y de grado de investigación
En lo que respecta a las obleas de carburo de silicio, generalmente existen dos grados diferentes: las obleas de carburo de silicio de grado principal y las obleas de carburo de silicio de grado de investigación. Sin embargo, ambos grados tienen sus ventajas y desventajas. Factores como el costo de adquisición, su aplicación y la densidad de defectos son cruciales a la hora de tomar una decisión.
Obleas de carburo de silicio de primera calidad
Este tipo de obleas se puede utilizar para aplicaciones de alta gama que requieren un alto nivel de rendimiento y fiabilidad. Estas obleas de carburo de silicio de alta calidad presentan una alta pureza y una baja densidad de defectos, lo que las convierte en una excelente opción. Esta cualidad les permite un excelente rendimiento en cualquier condición, con mínimos o nulos errores.
Las obleas de SiC de grado superior son muy útiles en los sectores aeroespacial, de informática de alta gama, de tecnología de chips, de convertidores de potencia y de electrónica de potencia. Esto se debe a que estos sectores no tienen margen de fallo, lo que encarece estas obleas en comparación con otras variantes de grado de investigación.
Características - Obleas de SiC de primera calidad:
1. Las obleas de SiC de primera calidad suelen tener un área utilizable de aproximadamente 90%.
2. También tienen una densidad de defectos muy baja.
3. Estas obleas poseen una densidad de microtubos de 5/cm².
4. Presentan una resistividad uniforme de aproximadamente 90%.
5. Las obleas de SiC de primera calidad tienen los mejores valores en términos de espesor general, deformaciones y curvatura, lo que las convierte en semiconductores eficientes y estables.
Obleas de carburo de silicio de grado de investigación
Este tipo de oblea ofrece un equilibrio entre calidad y precio. Si busca desarrollar, crear nuevas ideas e innovaciones, o quizás experimentar en proyectos de semiconductores, las obleas de SiC de grado de investigación son la mejor opción. Estas obleas no ofrecen tanta precisión como las de SiC de grado superior debido a su mayor densidad de defectos y variabilidad.
Si bien estas obleas aún pueden ofrecerle una cantidad razonable de operaciones de alto estándar, están diseñadas específicamente para ser rentables y adecuadas para la experimentación y proyectos menos críticos, como trabajos académicos y de investigación.
Características - Obleas de carburo de silicio de grado de investigación:
1. Estas obleas tienen un área utilizable de alrededor de 80%.
2. También tienen una mayor densidad de defectos y una densidad de microtubos de 10/cm².
3. Su resistividad uniforme es de aproximadamente 80%.
5. Tienen mejores valores de grosor, arco y deformación, aunque no óptimos.
Ha visto claramente que, al elegir obleas de SiC de grado Prime o de investigación, la mejor opción depende del uso que le vaya a dar. Por ejemplo, si es un estudiante universitario que investiga un nuevo semiconductor, las obleas de SiC de grado de investigación podrían ser la mejor opción, pero la situación sería diferente si es un fabricante que busca producir aplicaciones de alta gama con un margen de error mínimo.
Las diversas formas en que se pueden aplicar las obleas de SiC
Las obleas de SiC se pueden aplicar en diversas áreas, como dispositivos de potencia como diodos Schottky y transistores MOSFET. También se pueden aplicar en optoelectrónica, chips informáticos, infraestructuras inalámbricas y operaciones aeroespaciales y militares, como sistemas de comunicación por satélite y sistemas de radar, sistemas de energía renovable que incluyen inversores de sistemas solares, convertidores de turbinas eólicas, proyectos hidroeléctricos, etc.
Tendencia internacional actual y valor de mercado de las obleas de Sic
Si analizamos con atención el valor actual del mercado y las tendencias globales de las obleas de SiC, veremos que sus aplicaciones están cobrando impulso. Desde la invención del 5G y su adopción masiva a nivel mundial, la demanda de obleas de SiC se ha disparado.
En 2021, el valor de mercado de las obleas de SiC ascendió a aproximadamente $367,8 millones, y actualmente presenta una tasa de crecimiento anual actual (TCAC) de 19,1%. A pesar de una disminución de 12,1% en 2020 debido a la pandemia mundial de COVID-19, los analistas de mercado proyectan que superará los $1400 millones para 2029. Curiosamente, Norteamérica se ha convertido en un importante contribuyente al mercado de obleas de carburo de silicio, mientras que Shin-Etsu Chemical sigue siendo el mayor proveedor mundial de obleas de SiC.
Sin embargo, aquí en Cerámicas GGSCerámicasOfrecemos una excelente combinación de obleas de SiC de primera calidad y asequibles para satisfacer sus necesidades de semiconductores.
Preguntas frecuentes
¿Por qué se utilizan semiconductores en los chips?
Los semiconductores se utilizan en chips debido a su capacidad de controlar adecuadamente el flujo de corrientes eléctricas en el sistema sin interrumpir necesariamente las funciones generales del sistema.
¿Qué diferencia las obleas de silicio de las obleas de carburo de silicio?
Las obleas de carburo de silicio tienen una banda prohibida diez veces mayor que la de las obleas de silicio. Esto significa que pueden soportar temperaturas y voltajes más altos, además de una mejor conductividad térmica que las obleas de silicio.
¿Por qué se utilizan comúnmente obleas semiconductoras en electrónica?
Las obleas semiconductoras se utilizan comúnmente en electrónica debido a su capacidad inherente de conducir el flujo eléctrico y controlarlo eficazmente, lo que facilita su uso como sistema de control del flujo de corriente eléctrica entre los componentes de un dispositivo eléctrico. Esta característica especial también explica por qué se siguen utilizando en la producción de chips de computadora y circuitos integrados.
Conclusión
Si bien siguen ofreciendo un alto rendimiento a bajo costo, las obleas de carburo de silicio se han convertido sin duda en un catalizador clave para el crecimiento de la industria mundial de semiconductores. Desde sus numerosas aplicaciones en electrónica de potencia hasta la industria aeroespacial y otras innovaciones revolucionarias, sin duda están batiendo récords y estableciendo nuevos pronto.