Negli ultimi anni, semiconduttori Wide Bandgap come il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di gallio (GaN) hanno superato molti limiti del silicio nei dispositivi di potenza, permettendo convertitori più efficienti, compatti e capaci di operare ad alte temperature. Ma la ricerca non si ferma a SiC e GaN: all’orizzonte emergono i semiconduttori ultra wide bandgap (UWBG), materiali con bandgap ancora più ampio tra cui spiccano il diamante e l’ossido di gallio (Ga₂O₃). Questi promettono prestazioni estreme per l’elettronica di potenza di prossima generazione, con capacità di operare a tensioni elevatissime, ridurre ulteriormente le perdite e aumentare la densità di potenza. In questo articolo esamineremo cosa distingue i materiali Wide Bandgap vs Ultra Wide Bandgap e perché sono considerati rivoluzionari per le applicazioni future.
Dal silicio ai Wide Bandgap: una questione di bandgap
Per comprendere l’evoluzione in atto, occorre partire dal concetto di bandgap. Il bandgap è l’energia necessaria per spostare un elettrone dalla banda di valenza a quella di conduzione di un semiconduttore.
Bandgap “stretto”
Nei semiconduttori convenzionali come il silicio (Si E₉ ≈ 1,12 eV a 300 K) l’elevata concentrazione intrinseca (nᵢ ≈ 10¹⁰ cm⁻³) fa crescere rapidamente con la temperatura le correnti di perdita. Il campo critico di valanga è ~0,3 MV/cm; per reggere alte tensioni i dispositivi di potenza in Si richiedono una regione di drift spessa e debolmente drogata, con conseguente resistenza specifica elevata e chip più ingombranti.
Bandgap “ampio”
I Wide Bandgap (WBG) come SiC e GaN presentano bandgap nell’ordine di 3-3,4 eV, cioè circa il triplo del silicio. Un bandgap più ampio alza drasticamente il campo critico sostenibile (SiC ~3 MV/cm, GaN ~>3 MV/cm) e riduce la generazione termica di portatori. In pratica, dispositivi in SiC o GaN possono bloccare tensioni più alte con strati di drift più sottili e drogaggi maggiori, ottenendo resistenze on inferiori e minori perdite di conduzione. Ad esempio, i SiC MOSFET oggi raggiungono centinaia di ampere e oltre 1200 V con package compatti, dove un equivalente in silicio sarebbe molto meno efficiente o addirittura impraticabile. Nella pratica, i WBG mantengono performance migliori ad alta temperatura (grazie a minore corrente intrinseca) e possono commutare a frequenze superiori. Questo si traduce nella riduzione delle dimensioni dei componenti passivi.
Oltre SiC e GaN: la frontiera Ultra Wide Bandgap
Se i WBG hanno rivoluzionato il settore, i materiali Ultra Wide Bandgap (UWBG) promettono di spingersi ancora oltre. Si parla di UWBG per semiconduttori con bandgap ancora maggiore, tipicamente superiore a ~4 eV. In questa categoria rientrano il diamante (Eg ≈ 5,5 eV) e il β-Ga₂O₃ (ossido di gallio, Eg ≈ 4,8 eV), oltre ad altri come il nitruro di alluminio (AlN, Eg ~6 eV). Di conseguenza, consentono di bloccare tensioni elevate con resistenze specifiche inferiori, superando sia il silicio che i WBG tradizionali.
Nell’immagine il confronto delle proprietà chiave di vari semiconduttori di potenza. (a) Diagramma a radar che confronta parametri materiali (bandgap, campo di rottura, mobilità elettronica/di buca, conducibilità termica) per semiconduttori convenzionali, WBG e UWBG (Si, GaN, β-Ga₂O₃, Diamante, AlN). Si nota come i materiali Ultra Wide Bandgap (in particolare il diamante in blu) eccellano in bandgap, campo critico e conducibilità termica rispetto ai WBG come GaN (giallo) e al silicio (grigio). (b) Diagramma log-log della relazione tra tensione di breakdown (V_BR) e resistenza specifica R_on per dispositivi unipolari: le linee rappresentano i limiti teorici per diversi materiali. I semiconduttori UWBG (diamond, AlN, Ga₂O₃ – linee blu/arancione/verde) consentono, a parità di tensione bloccata, resistenze on di vari ordini di grandezza più basse rispetto al silicio (linea nera) e migliori anche dei WBG come 4H-SiC (rosso).
I materiali UWBG offrono potenziali prestazioni di commutazione decine di volte superiori a SiC/GaN e migliaia di volte superiori al silicio. Il risultato? In teoria transistori e diodi in diamante o Ga₂O₃ potrebbero gestire kV di tensione con perdite irrisorie, aprendo la porta a una nuova generazione di dispositivi di potenza ultra-compatti ed efficienti.
Va sottolineato che queste promesse teoriche vengono accompagnate da sfide significative.
Diamante elettronico: proprietà e sfide Ultra-Wide Bandgap
Quando si pensa al diamante, lo si associa più a gioielli che a chip elettronici. Eppure il diamante è a tutti gli effetti un semiconduttore, ed è considerato da molti il materiale ideale, il “Santo Graal” per l’elettronica di potenza. Le sue proprietà fisiche sono estreme: possiede un bandgap di 5,47 eV, il più ampio tra i semiconduttori noti, una conducibilità termica intorno a 20–22 W/cm·K (equivalente a ~2000 W/m·K, la più alta in assoluto), e può reggere un campo elettrico critico stimato in ~10–20 MV/cm. Inoltre, sorprendentemente per un materiale con gap indiretto così grande, il diamante mantiene mobilità dei portatori elevatissima (circa 4500 cm²/V·s per gli elettroni e 3800 cm²/V·s per le lacune nei migliori cristalli).
In teoria, un transistor di potenza al diamante potrebbe gestire migliaia di volt e enormi densità di corrente con perdite minime, operando magari a 300–400 °C di giunzione senza raffreddamento attivo. Non a caso, il diamante è anche estremamente resistente alle radiazioni ionizzanti, qualità preziosa per applicazioni spaziali o nucleari.
In breve, il diamante eccelle in ogni parametro chiave: bandgap ultra ampio, stabilità termica, campo di rottura, velocità di saturazione e persino mobilità. Nessun altro materiale semiconduttore offre un simile trifecta di prestazioni.
Tuttavia, sfruttare il “re dei semiconduttori” nella pratica si sta rivelando molto arduo. I problemi principali riguardano la crescita del materiale e il drogaggio.
Prima sfida del diamante monocristallino
Ad oggi, produrre wafer di diamante di grandi dimensioni e privi di difetti resta una sfida. Per crescere wafer di diamante monocristallino di alta qualità si utilizzano tecniche come la deposizione chimica da vapore (CVD) su piccoli semi-cristalli, ottenendo substrati di pochi millimetri, oppure metodi ad alta pressione (HPHT). Sul fronte del drogaggio, il diamante presenta un grosso ostacolo: mancanza del drogaggio n-type efficiente.
È relativamente semplice drogare il diamante p-type (ad esempio con boro), ma introdurre donori per ottenere regioni n-type è quasi impossibile con le tecniche attuali gli atomi donori tendono a non ionizzarsi o a auto-compensarsi data la struttura di banda del diamante.
Questa assenza di un buon n-type significa che non si possono realizzare dispositivi bipolari p-n convenzionali (diodi p-n, IGBT, bipolari, ecc.), e perfino i MOSFET diventano problematici.
Seconda sfida del diamante monocristallino
Altre difficoltà tecnologiche includono l’integrazione e fabbricazione: definire contatti ohmici stabili sul diamante è complesso, così come incidere e lavorare il materiale (estremamente duro chimicamente e meccanicamente). Anche il packaging richiederà soluzioni innovative: un dispositivo al diamante può operare a temperature molto alte, ma collegarlo a un package che lo sopporti non è banale; inoltre l’isolamento di migliaia di volt in poco spazio impone design avanzati.
Anche i costi non sono contenuti
Infine, c’è il tema dei costi: allo stato attuale il diamante è proibitivo per applicazioni commerciali, e si prevede che semiconduttori basati su diamante non vedranno produzione industriale almeno fino alla fine di questa decade.
Ga₂O₃ (ossido di gallio): un nuovo semiconduttore UWBG promettente
Accanto al diamante, l’altro protagonista tra gli Ultra Wide Bandgap è il Ga₂O₃, o ossido di gallio. Si tratta di un materiale meno “esotico” del diamante e che, pur non raggiungendo le vette estreme di quest’ultimo, offre un mix molto interessante di proprietà e praticità.
β-Ga₂O₃ (fase beta, la più stabile) ha un bandgap di circa 4,6–4,9 eV, quindi ben oltre i 3,4 eV di GaN.
Il suo campo elettrico critico è stimato intorno a ~8 MV/cm, secondo solo al diamante e circa il doppio rispetto a GaN/SiC. La mobilità elettronica intrinseca è discreta (≈250–300 cm²/V·s) – inferiore a GaN ma sufficiente per dispositivi di potenza verticali.
Una caratteristica distintiva di Ga₂O₃ è che consente la crescita di substrati bulk di grande diametro a costi relativamente contenuti: a differenza di GaN (dove i wafer devono essere cresciuti su substrati dissimili come zaffiro o SiC), Ga₂O₃ può essere cristallizzato direttamente dal fuso con metodi di crescita melt (es. tecnica EFG). Ciò ha portato in poco tempo alla realizzazione di wafer da 2 e 4 pollici di Ga₂O₃, e recentemente anche a dimostrazioni di cristalli grezzi da 6 pollici (e addirittura un annuncio di 8’’ in Cina). Dal punto di vista delle prestazioni, i primi prototipi di dispositivi al Ga₂O₃ mostrano risultati incoraggianti.
Primo limite Ga₂O₃ ossido di gallio
Perché allora Ga₂O₃ non è ancora diffusamente impiegato? Come per ogni nuova tecnologia, esistono limiti e sfide. Un problema cruciale è la mancanza di drogaggio p-type: Ga₂O₃ può essere drogato n-type (usando ad esempio il silicio come dopante donatore) in modo controllato, ma non esiste al momento un accettore efficace per realizzare regioni p-type. Anzi, calcoli teorici indicano che nel Ga₂O₃ il livello energetico degli accettori sarebbe così profondo da non riuscire a ionizzarsi, e i pochi fori generati tenderebbero a localizzarsi (self-trapping). Ciò significa che non si possono fare dispositivi p-n homojunction in Ga₂O₃ puro.
Secondo limite Ga₂O₃ ossido di gallio
Un altro tallone d’Achille del Ga₂O₃ è la conducibilità termica molto bassa. Paradossalmente, sebbene il materiale possa operare a temperature alte, esso stesso dissipa male il calore: la conducibilità termica è di soli ~0,2 W/cm·K (circa 20 W/m·K), un valore inferiore persino a quello del silicio (~1,5 W/cm·K) e di un ordine di grandezza sotto SiC. Questo significa che un dispositivo in Ga₂O₃, pur avendo meno perdite, tende a surriscaldarsi localmente perché il calore non si diffonde via nel cristallo con facilità. La comunità scientifica e vari programmi industriali (USA, Giappone, Cina) stanno investendo molto su Ga₂O₃: è probabile che vedremo i primi dispositivi commerciali (ad es. diodi Schottky per centinaia di volt) entro pochi anni, seguiti da transistor discreti per applicazioni specifiche.
Applicazioni di punta per i materiali UWBG
Considerati i loro vantaggi, in quali scenari vedremo impiegati diamante e Ga₂O₃? Data la complessità e i costi, è probabile che inizialmente questi materiali trovino uso in applicazioni estreme e di nicchia, dove le prestazioni aggiuntive giustificano l’onere tecnologico. Di seguito discutiamo due casi emblematici.
Veicoli elettrici ad alte prestazioni e trazione elettrica
L’industria automobilistica ha già abbracciato i semiconduttori Wide Bandgap – i MOSFET e i diodi SiC sono presenti in molte auto elettriche di ultima generazione, permettendo inverter di trazione più efficienti e compatti. In un’auto elettrica ad alte prestazioni o in ambito motorsport, dove ogni miglioramento in potenza specifica ed efficienza conta, i dispositivi Ultra Wide Bandgap potrebbero offrire un ulteriore salto di qualità. Ad esempio, l’uso di transistor al diamante (quando saranno disponibili) permetterebbe di operare a tensioni del sistema più elevate (forse ben oltre gli 800 V attuali), aumentando la potenza senza incrementare la corrente oppure riducendo la corrente a parità di potenza, con minori perdite Joule.
Anche il Ga₂O₃ potrebbe trovare spazio: ad esempio in inverter compatti per moto elettriche ad altissima velocità o droni aerei elettrici, dove il peso e lo spazio devono essere minimizzati. Immaginando ad esempio un’auto elettrica sportiva con inverter al Ga₂O₃ o diamante, potremmo avere accrescimenti di efficienza che estendono l’autonomia e incrementi di densità di potenza che alleggeriscono il veicolo, migliorandone l’accelerazione e la gestione termica.
Convertitori per reti HVDC e applicazioni di rete
Un altro campo ideale per sfruttare le capacità degli UWBG è la trasmissione di potenza ad altissima tensione. Le reti elettriche in corrente continua ad alta tensione (HVDC) richiedono convertitori e interruttori in grado di gestire decine o centinaia di kilovolt. Oggi queste stazioni di conversione HVDC utilizzano migliaia di dispositivi al silicio collegati in serie (ad esempio tiristori o IGBT) per reggere le immense tensioni di linea. Materiali come Ga₂O₃ e diamante, con i loro elevatissimi campi critici, potrebbero ridurre drasticamente il numero di dispositivi necessari o innalzare la tensione per dispositivo, semplificando gli impianti.
In prospettiva, diodi e transistor in Ga₂O₃ sono candidati per sostituire i moduli SiC nelle applicazioni high voltage power electronics (elettronica di potenza ad alta tensione) come conversione per linee HVDC e sistemi di distribuzione in corrente. La Cina, ad esempio, sta investendo molto in ricerca su Ga₂O₃ proprio in ottica di implementazione nelle reti elettriche di potenza, per sfruttarne la capacità di operare a tensioni elevate oltre i limiti del SiC.
Il potenziale c’è: convertitori più efficienti significano minori perdite sulla linea e dunque enormi risparmi energetici su scala globale, un aspetto che spinge l’interesse verso queste tecnologie emergenti.
Conclusioni
Diamante e Ga₂O₃ rappresentano quindi la frontiera avanzata dell’elettronica di potenza a semiconduttore. Essi spingono il concetto di “wide bandgap” al livello successivo ultra-wide, offrendo teoricamente caratteristiche senza paragoni. Abbiamo visto come il diamante, in particolare, offra un insieme unico di proprietà che lo rendono il candidato ideale per l’elettronica di potenza degli anni a venire. Anche Ga₂O₃, pur con qualche compromesso, promette dispositivi ad altissimo voltaggio a costi inferiori rispetto al passato. Probabilmente passeranno diversi anni prima che vedremo dispositivi UWBG commerciali diffusi. Nel frattempo, i semiconduttori Wide Bandgap come SiC e GaN continueranno a dominare la scena migliorando gradualmente. In un’epoca in cui la gestione efficiente dell’energia è cruciale, l’innovazione nei materiali semiconduttori gioca un ruolo chiave. La sfida “oltre SiC e GaN” è lanciata: i semiconduttori Ultra Wide Bandgap potrebbero definire la prossima era dell’elettronica di potenza, portandoci verso dispositivi più robusti, compatti e potenti che mai.
Fonte: www.fareelettronica.it
