Detrás del bombo y platillo del SiC (carburo de silicio) y del futuro potencial del GaN (nitruro de galio) para la electrónica de potencia de los vehículos eléctricos, siguen existiendo retos para ambas tecnologías. Aunque los fabricantes de equipos originales, los proveedores de primer nivel y los analistas de mercado coinciden en que el SiC y el GaN acabarán compartiendo el mercado con las tecnologías de Si, la hoja de ruta y el calendario exactos siguen siendo inciertos. IDTechEx espera que los sustratos diseñados aumenten el rendimiento general, las capacidades de volumen y el coste.

El informe de IDTechEx «Electrónica de potencia para vehículos eléctricos 2025-2035: Technologies, Markets, and Forecasts» (Electrónica de potencia para vehículos eléctricos 2025-2035: tecnologías, mercados y previsiones), evalúa las ventajas y los retos potenciales del uso de sustratos de ingeniería para la electrónica de potencia de los vehículos eléctricos, como la escalabilidad, los volúmenes de producción y el rendimiento.

Los sustratos de ingeniería podrían reducir el coste total de los MOSFET de SiC al disminuir la cantidad de SiC monocristalino por dispositivo, y pueden aumentar el voltaje máximo de los HEMT de GaN, lo que presenta ventajas para su uso en la tracción de vehículos eléctricos. Además, la amplia disponibilidad aumentará los volúmenes de producción y reducirá los plazos de entrega, ya que el crecimiento epitaxial es lento y los sustratos diseñados pueden producirse en masa. En el caso del GaN, los nuevos dispositivos verticales tendrán una mayor densidad de potencia, y en el caso del SiC, las áreas de las matrices se reducirán, aumentando también la densidad de potencia. Cabe señalar que se trata de una visión general de lo que podría ocurrir según el análisis de IDTechEx. Fuente: IDTechEx

Tradicionalmente, los sustratos son discos finos de material semiconductor monocristalino sobre los que se cultivan dispositivos como los MOSFET y los IGBT. Dado que el crecimiento epitaxial del semiconductor se construye sobre esta base, lo ideal es que el sustrato sea del mismo cristal que el de la epitaxia (homoepitaxia), por ejemplo, sustrato de Si para dispositivos de Si, etc. Para los MOSFET e IGBT de Si, utilizados en la electrónica de potencia de los módulos de automoción, como el cargador de a bordo, el inversor de tracción y el convertidor CC-CC, la elección obvia son los sustratos de Si. Entre los proveedores mundiales se encuentran SUMCO, Shin-Etsu y GlobalWafers, y la conclusión es que se trata de una tecnología madura, fiable y rentable.

Aumento de los volúmenes de MOSFET de SiC con sustratos de ingeniería

El mercado de obleas de SiC ha empezado a globalizarse recientemente, y aproximadamente el 75% de las obleas de SiC se producirán en Estados Unidos a partir de 2023. Con empresas como Wolfspeed y STMicroelectronics expandiéndose en Europa y China, la aparición de otras empresas de obleas de SiC y la transición de sustratos de 150 mm a 200 mm, se prevé que el mercado se vuelva más competitivo, lo que reducirá los costes.

Paralelamente a estos avances, las empresas están creando sustratos de ingeniería para dispositivos de potencia de SiC. En general, aprovechan las tecnologías de silicio sobre aislante (SOI) y consisten en una capa de SiC policristalino unida a una fina capa de SiC monocristalino (una oblea de SiC suele ser totalmente de SiC monocristalino). Entre las empresas que aprovechan alguna variante de esta tecnología figuran Soitec, que ya ha anunciado colaboraciones con X-FAB y STMicroelectronics, y Sicoxs (filial de Sumitomo Metal Mining), que actualmente comercializa sustratos de SiC de ingeniería de 6 pulgadas y prevé una producción masiva en el ejercicio 2025.

Con la globalización del mercado de sustratos de SiC y un número cada vez mayor de actores, los fabricantes de equipos originales de automoción buscan grandes volúmenes de MOSFET de SiC para crear cadenas cinemáticas eficientes, que pueden aumentar la autonomía de un vehículo en un 7% en comparación con los IGBT de Si. En términos de volumen y coste, los sustratos de ingeniería tienen ventajas y pueden dar lugar a volúmenes de producción de un orden de magnitud mayor que sin sustratos de ingeniería utilizando la misma cantidad de SiC monocristalino. Para crear sustratos de ingeniería, se prepara una oblea de SiC policristalino mecánicamente fuerte, con pasos que incluyen el esmerilado y el pulido para que quede plana, a partir de la cual se une fuertemente una capa muy fina de sustrato de SiC monocristalino a la oblea policristalina. Tras el procesamiento, la activación y la inspección, el sustrato de ingeniería está listo, y el resto de la oblea monocristalina se reutilizará para fabricar más sustratos de ingeniería.

El resultado es una reducción de costes, ya que los sustratos de SiC suponen hasta el 50% del coste total de un dispositivo, y un aumento del volumen, ya que una oblea monocristalina de SiC puede producir ahora entre 10 y 50 sustratos. También se ha demostrado que los sustratos de ingeniería tienen una menor «resistencia a la conexión» en toda la superficie del sustrato, lo que se traduce en una menor generación de calor por unidad de superficie y la posibilidad de producir un mayor número de chips por sustrato.

Aunque los sustratos de SiC de ingeniería tienen potencial, todavía tardarán un par de años en producirse en masa, y sigue habiendo dudas sobre su principal forma de comercialización. Por ejemplo, las empresas podrían conceder licencias para el proceso de unión, asociarse con fundiciones o empresas de dispositivos para producir sustratos a escala o prestar el equipo necesario. Los ciclos de diseño y los plazos de entrega en la industria del automóvil son notoriamente largos y abarcan varios años. Además, para que estos procesos sean aptos para fabricar dispositivos para vehículos eléctricos, se necesitan requisitos muy exigentes y pruebas exhaustivas.

Sustratos diseñados para hacer viable el GaN en inversores de tracción
Dado que el SiC ya se utiliza en la electrónica de potencia de los vehículos eléctricos, la comercialización masiva de sustratos de ingeniería ayudaría a acelerar ese desarrollo. En el caso del GaN, varias empresas, como Vitesco y VisIC Technologies, quieren lanzar productos de GaN de alto voltaje para automoción, pero los obstáculos son ligeramente distintos. IDTechEx sólo conoce una empresa, Odyssey Semiconductor, que produce sustratos de GaN a granel para dispositivos GaN. En mayo de 2024, fue adquirida por Power Integrations, pero aún está por ver si los sustratos de GaN pueden fabricarse de forma fiable y rentable.

Históricamente, los sustratos de silicio se han utilizado para cultivar dispositivos de GaN (heteroepitaxia), y casi todos los dispositivos del mercado utilizan sustratos de silicio. Dado que los sustratos de silicio ya se producen en masa para dispositivos basados en silicio, su uso para transistores de GaN parece una obviedad. Las capas amortiguadoras gestionan la deformación y el desajuste de la red entre el GaN epitaxial y el sustrato de Si, lo que mejora la robustez. Sin embargo, el GaN sólo puede cultivarse en capas finas sobre sustratos de Si, lo que da lugar a una mayor defectividad que en los dispositivos de GaN homoepitaxial y GaN lateral de tensión limitada.

Para que el GaN pueda utilizarse en el inversor de tracción, los dispositivos deben ser capaces de mantener tensiones y potencias elevadas durante periodos prolongados, que es donde las actuales tecnologías de GaN se quedan cortas. Las alternativas incluyen GaN sobre zafiro y GaN sobre SiC, que pueden producir dispositivos de mayor voltaje pero no son compatibles con los procesos CMOS, son caros y presentan otros problemas de manipulación y rendimiento térmico. Los sustratos de GaN de ingeniería mitigan estos problemas creando un sustrato que minimiza el desajuste de la red y alinea el coeficiente de expansión térmica con el del GaN para producir capas epitaxiales más gruesas de GaN para dispositivos verticales que superan los 1200 V. Este es el enfoque adoptado por la empresa sin fábrica Qromis, con su tecnología QST (Qromis Substrate Technology). Al adaptar las propiedades físicas del sustrato al GaN, los dispositivos tendrán una baja defectividad y minimizarán las roturas. Además, aunque los dispositivos de GaN actuales se cultivan en sustratos de Si de 150 mm, los sustratos de ingeniería son escalables, lo que permite cultivar GaN en sustratos de 200 mm y, con el tiempo, de 300 mm. Con el tiempo, esto aumentará los volúmenes de producción y reducirá el coste por dispositivo.

Dado que los sustratos de GaN tienen actualmente un precio prohibitivo, lo mejor es fabricar algo lo más parecido posible al GaN, que es lo que pretenden los sustratos de ingeniería. Los sustratos de Si son rentables si se garantizan grandes volúmenes, pero tienen dificultades para satisfacer las demandas de la electrónica de potencia de alto voltaje con la tecnología actual. Los sustratos alternativos, como el SiC y el zafiro, presentan otros inconvenientes, por lo que los sustratos de ingeniería podrían ser una tecnología clave para permitir la entrada del GaN en el mercado de la electrónica de potencia para vehículos eléctricos. Sin embargo, IDTechEx no tiene constancia de ningún plan de adopción por parte de los fabricantes de equipos originales de automoción o los proveedores de primer nivel.

Autor: John Li, analista tecnológico de IDTechEx