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3C-SiC Hetero-epitaxiALLy grown on silicon compliancE substrates and 3C-SiC substrates for sustaiNable wide-band-Gap powEr devices

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Più energia, meno emissioni: verso dispositivi di potenza più ecologici

Un nuovo materiale per i dispositivi elettronici di potenza potrebbe contribuire a ridurre le emissioni di 6 milioni di tonnellate all’anno.

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L’elettronica di potenza è alla base delle innovazioni chiave che risulteranno essenziali per la transizione verde dell’Europa. Utilizzate per convertire l’elettricità, le applicazioni «verdi» dei dispositivi elettronici di potenza vanno dalle automobili elettriche agli impianti fotovoltaici. La progettazione di nuovi materiali svolge un ruolo importante nel rendere questi dispositivi più efficienti e in grado di garantire una maggiore sostenibilità. Il semiconduttore noto come carburo di silicio cubico (3C-SiC) si sta progressivamente affermando come candidato dotato di elevate potenzialità per migliorare l’efficienza energetica dei dispositivi che operano a tensioni comprese tra i 100 e i 1 200 V. Il progetto CHALLENGE (3C-SiC Hetero-epitaxiALLy grown on silicon compliancE substrates and 3C-SiC substrates for sustaiNable wide-band-Gap powEr devices), finanziato dall’UE, ha ora intrapreso passi decisivi verso la conversione di questo materiale in una tecnologia commerciabile. «Abbiamo dato forma a una nuova tecnologia rivolta alla creazione di wafer in 3C-SiC di grandi dimensioni ulteriormente sviluppabili in futuro al fine di realizzare un materiale commerciale per i dispositivi di potenza», spiega Francesco La Via, direttore di ricerca presso l’Istituto per la Microelettronica e Microsistemi, l’organizzazione facente parte del Consiglio nazionale delle ricerche che ha ospitato il progetto.

Prestazioni migliori

I wafer vengono realizzati per mezzo dell’eteroepitassia, una procedura attraverso la quale un tipo di cristallo viene coltivato sulla superficie di un materiale di altra tipologia, in questo caso substrati di silicio. Il gruppo responsabile del progetto ha studiato alcune tecniche per far crescere il materiale e ha acquisito una migliore comprensione della ragione per cui si verificano dei difetti nella struttura cristallina, nonché delle modalità con cui tali imperfezioni si ripercuotono sulle prestazioni del materiale. Puntando alla riduzione del numero di difetti, i ricercatori sono riusciti a superare una serie di ostacoli a livello tecnologico che in precedenza avevano frenato la crescita di 3C-SiC su una scala più ampia, con un conseguente aumento delle prestazioni e dell’affidabilità dei materiali. Grazie allo sviluppo di un processo volto alla riduzione dello stress termico, CHALLENGE ha coltivato con successo strati di 3C-SiC di notevole spessore, fino a 300 micron. «Finora non si era mai stati in grado di far crescere questo materiale raggiungendo uno spessore del genere, in quanto l’elevato stress termico ne comportava la rottura», afferma La Via.

Applicazioni verdi

Un valore aggiunto di primaria importanza fornito dal nuovo processo è costituito dalla combinazione di un basso costo di produzione e un’elevata efficienza energetica. Le principali applicazioni della tecnologia sviluppata nell’ambito del progetto CHALLENGE sono i veicoli elettrici e gli inverter solari, dispositivi in grado di convertire l’energia prodotta dai pannelli solari in corrente che può essere immessa nella rete. «In entrambi gli ambiti di applicazione, l’adozione della tecnologia del 3C-SiC consentirà una considerevole riduzione della dissipazione di potenza, comportando notevoli benefici ambientali», osserva La Via. Il potenziale di miglioramento comprende anche l’autonomia delle automobili elettriche, in quanto la tecnologia potrebbe incrementare i chilometri percorribili prima di effettuare una nuova ricarica. Secondo La Via, nel caso di un’applicazione su larga scala l’impatto esercitato sulla mitigazione dei cambiamenti climatici potrebbe essere enorme: «Introducendo il 3C-SiC nel mercato dei dispositivi di potenza sarebbe possibile ridurre le emissioni di anidride carbonica fino a 6 milioni di tonnellate all’anno». Per immettere la tecnologia sul mercato in modo efficace saranno necessari ulteriori sforzi di ricerca che, secondo La Via, dovrebbero essere volti a migliorare la qualità del materiale a diversi livelli, tra cui la densità di difetti e lo stress, e a incrementare la nostra comprensione in merito ai requisiti per la costruzione di dispositivi efficienti. La squadra coinvolta nel progetto CHALLENGE sta attualmente lavorando a diverse iniziative di follow-up per tradurre i risultati del progetto in progressi tangibili.

Parole chiave

CHALLENGE, carburo di silicio cubico, 3C-SiC, eteroepitassia, automobili elettriche, inverter solari, dispositivi elettronici di potenza, transizione verde

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