John Palmour, director de tecnología de Cree, se reunió con Semiconductor Engineering para hablar sobre el carburo de silicio, su comparación con el silicio, las diferencias desde el punto de vista del diseño y el embalaje, y su utilización. Lo que sigue son extractos de esa conversación.
SE: El carburo de silicio es bien conocido en la electrónica de potencia y en la radiofrecuencia, pero ¿la principal ventaja es la capacidad de hacer funcionar los dispositivos a mayor temperatura que el silicio, o se trata de ahorrar energía?
Palmour: El objetivo es ahorrar energía y reducir los costes del sistema. El carburo de silicio ahorra dinero a los fabricantes de equipos originales.
SE: ¿Ante todo?
Palmour: Sí. Por ejemplo, si dices: ‘Vale, puedo poner carburo de silicio, que es más caro que un IGBT pero puedo ahorrar el triple en el coste de la batería, eso es lo que hacen’. La mayoría de las veces se utiliza para el coste inicial.
SE: Pero eso no es necesariamente un ahorro de material uno a uno. Se trata más bien del coste del sistema, ¿no?
Palmour: Sí, absolutamente. El carburo de silicio es más caro que los IGBTs de silicio, y los lugares donde conseguimos nuestras ganancias es donde se dan cuenta del ahorro a nivel de sistema. Casi siempre se trata de un sistema de venta.
SE: ¿Ha frenado eso la adopción del SiC?
Palmour: Hay que encontrar las aplicaciones en las que se ahorra dinero a nivel de sistema. Pero a medida que se hace eso y se empieza a enviar volumen, el precio baja y se empiezan a abrir otras aplicaciones. En el pasado, el factor limitante era el coste inicial, pero la gente está empezando a fijarse más en los costes del sistema y se da cuenta de que el coste inicial, desde esa perspectiva, es mejor con el carburo de silicio.
SE: ¿Qué le parece la disponibilidad del SiC frente al silicio?
Palmour: Si eres un OEM de automoción, te preocupas por la capacidad porque el impacto de estos diseños de automoción será impulsar el mercado a ser mucho más grande de lo que es hoy. La garantía de suministro es una preocupación. Por eso Cree ha anunciado numerosos acuerdos de suministro de obleas con otras empresas que fabrican dispositivos de carburo de silicio. Hicimos un anuncio con Delphi, donde vendemos chips a Delphi y ellos venden un inversor a un OEM europeo. Estas cosas se están estudiando, y hay que asegurar el suministro. En estos acuerdos de compra a largo plazo, tenemos que saber que habrá demanda antes de invertir mucho capital en capacidad. El año pasado anunciamos que íbamos a añadir 1.000 millones de dólares de capital de inversión para aumentar considerablemente nuestra capacidad y satisfacer esta necesidad. Es necesario, y es solo un comienzo. Si se hacen números sobre la penetración de los vehículos eléctricos de batería en el mercado global de vehículos, esto no ha hecho más que empezar.
SE: ¿Todo esto es de 200 mm, o se trata de tecnología más antigua?
Palmour: La mayor parte de la producción actual se realiza en obleas de 150 mm y 6 pulgadas. Todavía hay algunas en 4 pulgadas. Estamos construyendo una nueva fábrica en Nueva York que tendrá capacidad para 200 mm, pero no estamos haciendo nada de 200 mm hoy y no esperamos estar listos para ello hasta dentro de varios años. Cuando las 8 pulgadas estén listas, podremos ponerlas en marcha. Todos los equipos van a ser de 200 mm para que podamos pasar rápidamente a las 8 pulgadas cuando llegue el momento. Hoy en día no se está produciendo ninguna de 8 pulgadas.
SE: ¿Es el proceso radicalmente diferente al de la fabricación de chips de silicio? ¿Se utilizan las mismas herramientas que se emplean normalmente?
Palmour: Si hablas de crecimiento de materiales, es diferente. El crecimiento de los cristales es radicalmente diferente. La oblea, el pulido y la epitaxia son bastante diferentes. Pero una vez que se entra en la fábrica, el equipo es bastante estándar, con la excepción de dos o tres procesos, que están muy adaptados al carburo de silicio. Los procesos fundamentales de la fábrica son muy parecidos a los del silicio, y la mayor parte del equipo de la sala blanca es el típico equipo de silicio.
SE: ¿Y qué hay del lado de las pruebas y la inspección?
Palmour: Son bastante similares a los del silicio.
SE: Dado que el SiC funciona a temperaturas más elevadas, ¿es la defectuosidad un problema mayor?
Palmour: La razón por la que el silicio no puede ir a temperaturas muy altas es porque intrínsecamente empieza a conducir. Realmente deja de ser un semiconductor alrededor de 175°C, y a 200°C se convierte en conductor. En el caso del carburo de silicio, esa temperatura es mucho más alta (unos 1.000 °C), por lo que puede funcionar a temperaturas mucho más elevadas. Pero no nos proponemos alcanzar temperaturas mucho más elevadas que las del silicio debido al embalaje. Cuanto mayor sea la temperatura a la que se califica el envase, mayor será el delta T entre la temperatura baja y la alta y más rápido se degradará el envase. No vamos a buscar una temperatura radicalmente más alta. Y de hecho, como somos eficientes, no nos calentamos tanto por centímetro cuadrado. Nuestros chips suelen alcanzar unos 175 °C, lo que no es mucho más elevado que el silicio.
SE: Eso sitúa al SiC en la categoría ASIL D para aplicaciones industriales o de automoción, ¿verdad? Sí, absolutamente.
SE: ¿Cuál es la diferencia a nivel físico?
Palmour: El silicio tiene un bandgap de 1,1 electronvoltios, y eso es básicamente la definición de cuánta energía se necesita para arrancar un electrón del enlace entre dos átomos de silicio. Así que se necesitan 1,1 electronvoltios para arrancar un electrón de ese enlace. El carburo de silicio tiene una brecha de banda de 3,2 electronvoltios, por lo que se necesita 3 veces más energía. Pero en realidad es una función exponencial. Muchas de las características del bandgap de los semiconductores están en el exponente. Tenemos un bandgap tres veces más amplio, pero cuando se trata de la ruptura eléctrica, tenemos un campo de ruptura eléctrica 10 veces mayor.
SE: ¿Qué significa esto en términos de aplicaciones en el mundo real?
Palmour: Significa que si haces exactamente la misma estructura en silicio y en carburo de silicio -el mismo grosor de epi, el mismo nivel de dopaje- la versión de carburo de silicio bloqueará 10 veces más voltaje que la versión de silicio. Se puede hacer un MOSFET en silicio y se puede hacer un MOSFET en carburo de silicio. Los MOSFET de silicio son muy comunes en la región de baja tensión, desde 10 voltios hasta unos 300 voltios. Por encima de 300 voltios, la resistencia de un MOSFET de silicio se vuelve muy, muy alta y hace que el MOSFET no sea atractivo. Es demasiado caro. Así que lo que hacen es cambiar a un dispositivo bipolar. Un MOSFET es un dispositivo unipolar, lo que significa que no hay portadores minoritarios. Sólo hay electrones que fluyen en el dispositivo. Y cuando es un dispositivo unipolar, puede cambiar muy, muy rápido. Si se observa un MOSFET de 60 voltios, conmuta muy rápido, y es por eso que se pueden hacer procesadores de gigahercios en silicio. Son MOSFETs de muy bajo voltaje – tal vez 5 voltios. Pero cuando subes el voltaje tienes que pasar a un dispositivo bipolar, lo que significa que tanto los electrones como los huecos de electrones fluyen en el dispositivo al mismo tiempo. Y cada vez que se cambia, hay que disipar todos esos electrones y huecos recombinándose y generando energía. El dispositivo bipolar ofrece una resistencia mucho menor y un chip mucho más pequeño y asequible, pero hay que disipar ese exceso de calor cada vez que se cambia. Esa es la compensación que estás haciendo. Se puede hacer un interruptor de potencia asequible, pero no es muy eficiente.
Fig. 1: MOSFET de SiC. Fuente: Cree
SE: ¿Qué tal con SiC?
Palmour: El carburo de silicio tiene un campo de ruptura 10 veces mayor. Nuestro MOSFET de 600 voltios va a ser tan rápido como un MOSFET de silicio de 60 voltios. La otra forma de verlo es que si decimos que 600 voltios es la tensión a la que se pasa de los MOSFET y el silicio a los IGBT, estaríamos a una tensión 10 veces superior. Por lo tanto, se utilizaría un MOSFET en carburo de silicio hasta 6.000 voltios antes de tener que cambiar a un IGBT. El alto campo de ruptura eléctrica que obtenemos de esta amplia banda prohibida nos permite utilizar el tipo de dispositivo que querríamos utilizar en silicio, pero no podemos porque es demasiado resistivo para hacerlo práctico. Así que puedes hacer el dispositivo en carburo de silicio que realmente querías en silicio, pero debido a la física del silicio no es práctico en ese rango de voltaje.
SE: ¿El carburo de silicio envejece igual que el silicio debido al mayor voltaje?
Palmour: Es lo mismo. El voltaje no importa. Es el campo eléctrico, que es el mismo independientemente del voltaje. El carburo de silicio es muy resistente y no envejece de forma diferente a cualquier otro semiconductor.
SE: ¿Habrá economías de escala a medida que el SiC se utilice en más lugares?
Palmour: Sí. Será un poco más asintótico que la Ley de Moore debido a las consideraciones térmicas, pero sin duda estamos al principio de la curva de reducción de costes. De 2017 a 2024, esperamos que el volumen aumente 30 veces. Eso tendrá un impacto.
SE: ¿Alguna limitación que pueda interrumpir ese aumento de volumen?
Palmour: El carburo de silicio es arena y carbón. El silicio y el carbón son dos de los elementos más abundantes de la tierra. No es como el fosfuro de indio o el hafnio. Me preocupa más si los vehículos eléctricos de batería pueden obtener suficiente litio, y si hay suficientes tierras raras para hacer los motores de imanes permanentes. Podemos fabricar los semiconductores.
SE: Ahora vemos que se presta mucha más atención a los chips múltiples en un paquete. ¿Cómo se comporta el SiC en ese tipo de paquetes? ¿Será necesario que esté en el mismo paquete?
Palmour: En términos de dispositivos de potencia de carburo de silicio, tenemos tres líneas de productos. Una es la de dispositivos de potencia discretos. Se trata de un único MOSFET en un envase TO-247, o de un diodo en un envase TO-220, el típico envase discreto estándar. Y luego vendemos chips a otras empresas que van a hacer su propio paquete, pero en general son fabricantes de módulos. Y luego tenemos nuestros propios módulos. Un módulo incluye varios chips MOSFET de carburo de silicio en paralelo, para obtener más potencia, en un circuito muy sencillo. En los casos más comunes, se trata de otros chips de carburo de silicio idénticos en ese módulo de potencia. Digamos que tienes un chip de 100 amperios, pero necesitas un módulo de potencia y una configuración de puente H que te dé 600 amperios. Así que pondría seis dispositivos de 100 amperios en un lado, seis dispositivos de 100 amperios en el otro para darle ese puente en H, y luego tal vez algunos condensadores o algunas resistencias. Eso es lo que hay en el mercado hoy en día. El gran problema, en el que trabajamos mucho y en el que están trabajando muchos de los que trabajan en el sector de la automoción, es que si pusiéramos nuestros chips en un paquete de módulo de potencia de silicio estándar, sólo obtendríamos la mitad del rendimiento que los chips podrían ofrecer debido a las inductancias incorporadas. Yo lo equipararía a meter un motor de Ferrari en un chasis de VW.
SE: Eso suena a desajuste.
Palmour: En lo que estamos trabajando nosotros y otros es en cómo optimizar ese módulo para aprovechar al máximo el carburo de silicio. Tenemos que construir un chasis de Ferrari para ese motor, y en eso se está trabajando en los módulos de potencia. En cuanto a si funcionaría con otros chips en un paquete, la respuesta es sí. Normalmente, hoy en día, los controladores y otros chips que componen este módulo de potencia están en una placa. Normalmente está en una placa separada colocada al lado de ese módulo, pero podría estar en el mismo módulo. Se llama módulo de potencia inteligente. Pero definitivamente se puede hacer lo mismo en carburo de silicio.
SE: ¿Qué pasa con cosas como el ruido y la deriva, que son problemas crecientes en muchos diseños? ¿Es diferente con el SiC?
Palmour: Hay dos partes en esa pregunta. En cuanto a la estabilidad de los óxidos, hay cierta deriva en el carburo de silicio. Pasamos mucho tiempo trabajando en eso minimizándolo. No es un problema una vez que lo consigues. En realidad, es sobre todo el tiempo de funcionamiento. Básicamente se desplazará en las primeras 10 o 20 horas, y luego se estabilizará. Y si se apaga todo, volverá a ocurrir, así que la solución es hacer que eso sea lo mínimo posible. En cuanto al ruido, no somos tan susceptibles al ruido como otros chips. Pero como el carburo de silicio puede funcionar a frecuencias tan altas y puede conmutar a dv/dt y di/dt realmente altos, creamos ruido. Hay que diseñar el circuito con mucho cuidado para minimizar la cantidad de ruido que se genera.
SE: ¿Ayuda el apantallamiento?
Palmour: En realidad no se trata de apantallar tanto como de hacer un buen diseño. En el silicio, puedes poner el conductor a un pie de distancia y entubar un cable y no es un gran problema. En el carburo de silicio tendrías tanta inductancia que sonaría como un banshee. Tienes que poner el driver muy cerca del módulo para minimizar ese timbre inductivo y reducir el ruido. Tienes que mantener esas inductancias al mínimo.
SE: Así que esto se dirige al gran problema con el que se enfrentan los diseñadores de RF hoy en día, ¿verdad?
Palmour: Correcto, y hacemos tanto RF como potencia. Cuando utilizas carburo de silicio, te empuja más hacia el ámbito de la RF de lo que mucha gente en potencia está acostumbrada a pensar. La RF es un mundo diferente. Los condensadores se convierten en resistencias, las resistencias se convierten en condensadores, y todo se invierte.
SE: Pero el carburo de silicio se ha utilizado mucho en el mundo de la RF, ¿verdad?
Palmour: Sí, y la RF es la otra parte de nuestro negocio. Allí utilizamos el SiC como sustrato. Solíamos vender MESFETs (FETs metal-semiconductores) de SiC para dispositivos de RF. En el caso de Gan RF, el 99% de los dispositivos de RF de Gan se fabrican en un sustrato de carburo de silicio.
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