Una nuova era per il carburo di silicio

25 anni fa ST avviava una collaborazione con l'Università di Catania per lo studio del carburo di silicio (SiC) che sta oggi trasformando i veicoli elettrici.

di Fonte ST 15-07-21
Cosa è successo nel 1996? Bill Clinton venne rieletto Presidente degli Stati Uniti. La General Motors era la più grande azienda americana. Le azioni della Apple valevano circa 22 centesimi l'una. Deep Blue, il computer della IBM, batteva per per la prima volta l'allora campione mondiale di scacchi, Garry Kasparov. Ed ST avviava una collaborazione con l'Università di Catania sul carburo di silicio (SiC) che sta oggi trasformando il mondo dei veicoli elettrici.

Per celebrare il 25° anniversario del SiC, ST ha deciso di esplorare il proprio ruolo nel settore: come si è arrivati a questo punto e dove stiamo andando.

Secondo uno studio di Exawatt, il 70% dei veicoli elettrici a batteria per passeggeri utilizzerà MOSFET SiC entro il 2030. La tecnologia sta trasformando anche altri mercati, come quello degli inverter fotovoltaici, dell'accumulo di energia, degli alimentatori per server, delle stazioni di ricarica e altro ancora. È quindi fondamentale comprendere il viaggio compiuto dal SiC negli ultimi 25 anni per favorire l'ingegneria di oggi e di domani.



Il carburo di silicio e le sfide superate
La storia del SiC è un affascinante esempio di quanto sia importante essere i primi per divenire i migliori. Le proprietà del carburo di silicio erano ben stabilite sin dall'inizio del XX secolo, con il primo LED SiC risalente al 1907. I fisici sapevano che il carburo di silicio aveva una banda proibita più ampia rispetto al silicio di circa 2 eV. A temperatura ambiente, significava che i dispositivi SiC avevano un campo elettrico critico che poteva essere da cinque a dieci volte superiore. Di conseguenza, la nuova tecnologia potrebbe migliorare notevolmente l'efficienza di conversione tollerando tensioni più elevate e condizioni più difficili.

Gli ostacoli
Il problema era che nel 1996 nessuno sapeva come utilizzare commercialmente il SiC in una fabbrica di semiconduttori. Il substrato di SiC aveva troppi difetti e le alte temperature dei forni erano incompatibili con il materiale. Inoltre, ci è voluto un decennio in più per produrre dispositivi SiC su wafer più grandi di due pollici, qualcosa di essenziale per ridurre i costi.

Tuttavia, essendo tra le prime ad investire pesantemente nella tecnologia e lavorando con il mondo accademico, ST riuscì a risolvere tutte queste sfide. Nel maggio 2002, nacque il primo diodo Schottky SiC, quindi, nel 2006, arrivarono i primi dispositivi SiC su wafer da tre pollici e risale al 2007 la prima generazione di diodi.



La lunga strada
Un capitolo critico nella storia del SiC ha avuto luogo nel 2009, quando ST campionò il proprio primo MOSFET SiC. Si trattò di un traguardo importante, in quanto permise miglioramenti significativi nei dispositivi di alimentazione.

Cinque anni dopo, ST produceva la prima generazione di MOSFET SiC. Tutto dopo è seguito a un ritmo molto maggiore grazie a tutto il lavoro già svolto. Nel 2017, solo tre anni dopo la prima generazione di MOSFET, ST ha potuto rilasciare una seconda generazione che ha più che dimezzato la resistenza ohmica del dispositivo. Il 2020 ha visto nascere la terza generazione, realizzata sulla scia delle precedenti. ST è inoltre passata già nel 2016 a dischi da sei pollici e si prepara a produrre transistor SiC su wafer da otto pollici.
Il carburo di silicio e la sua importanza nel mondo d'oggi

Il modo migliore di conquistarsi la fiducia
La storia del carburo di silicio insegna che impegnarsi ad essere tra i primi a superare gli ostacoli è importante. In quanto precursore nell'uso di substrati in carburo di silicio nelle fabbriche di semiconduttori, ST ha ideato nuove soluzioni che hanno portato a produrre numerosi dispositivi SiC sempre migliori.

Oggi ST è il primo produttore di dispositivi SiC sul mercato e lo stabilimento di Catania è uno dei più grandi stabilimenti SiC al mondo, con strumenti in grado di passare da wafer da 150 mm a 200 mm. Quei primi investimenti in dispositivi al carburo di silicio rendono ora la ST un fornitore garantito e stabile di prodotti SiC, indipendentemente dai volumi richiesti.

ST produce attualmente prodotti SiC ad alto volume su due linee di wafer da 150 mm a Catania (Italia) e Ang Mo Kio (Singapore). Tuttavia, le operazioni di assemblaggio e test si svolgono in siti di back-end a Shenzhen (Cina) e Bouskoura (Marocco). Attraverso STMicroelectronics Carburo di Silicio A.B. (precedentemente Norstel A.B., acquisita dalla ST nel 2019), il nostro obiettivo è quello di acquistare internamente oltre il 40% dei nostri wafer di SiC entro il 2024, acquistando il resto da altri fornitori.

Il ciclo virtuoso
Essere primi ha anche creato un circolo virtuoso. Con la graduale risoluzione di ciascun problema incontrato, ST ha approfondito i rapporti di collaborazione con le aziende che hanno scelto di utilizzarne i dispositivi. Si è potuto osservare la rapida adozione dei prodotti SiC su veicoli elettrici nuovi e popolari, con la possibilità di dare testimonianza del valore dei prodotti sul campo e dialogare con le aziende in merito alla loro esperienza.

Lo scambio ha permesso di ottimizzare ulteriormente i processi produttivi e migliorare le prestazioni elettriche per rilasciare modelli più efficienti e robusti, con un conseguente incremento dell'adozione nel settore ed un rinnovo del ciclo virtuoso. Oggi, ST distribuisce MOSFET SiC classificati a 1.200 V con una resistenza di 3,3 mΩ x cm2.

Il carburo di silicio nel futuro dell'ingegneria

Si, SiC, and GaN
Guardando al futuro del carburo di silicio, gli ingegneri devono considerare il contesto più ampio dei transistor ad ampio bandgap. Con l'avvento del nitruro di gallio, che fine fa il ​​SiC? La risposta sta in ciascuna delle proprietà elettriche del materiale. Proprio come il SiC non sostituisce il silicio, il GaN non sostituisce il SiC. Potrebbero esserci delle sovrapposizioni, ma nella maggior parte delle applicazioni, ogni materiale consente nuovi design, completando così l'altro.

La leadership della ST nel SiC negli ultimi 25 anni di storia non solo ha portato a 70 brevetti, ma è una testimonianza del fatto che la nuova tecnologia non minaccia affatto il silicio. Infatti, mentre l'azienda sviluppava nuovi dispositivi SiC, il portafoglio IGBT della ST presentava ancora nuovi prodotti e innovazioni. Inoltre, sono stati recentemente celebrati 20 anni di MOSFET STPOWER, a supergiunzione con numerose industrie che preferiscono questi dispositivi rispetto al SiC.

Il prossimo capitolo
Dopo 25 anni, il carburo di silicio sta entrando in una fase più matura. Non ci si aspettano delle riduzioni drastiche nella resistenza ohmica, ma la realizzazione di dispositivi più robusti.

Anche i costi continueranno a diminuire man mano che le fabbriche ST sperimentano wafer più grandi e nuovi processi. ST sta infatti investendo nelle tecnologie dei substrati SiC per migliorare la qualità e ottimizzare la produzione. Come risultato diretto, l'industria può aspettarsi rese migliori e costi inferiori, spingendo così il SiC in più progetti.

Dopo 25 anni, il SiC sta entrando in una nuova era di democratizzazione e trasformazione.

(lo)