nuevos materiales para la fabricación de dispositivos

Técnica Industrial, septiembre 2012, 299: 62-6762

Nuevos materiales para lafabricación de dispositivoselectrónicosFrancisco Javier Balbás García

RESUMENEn este artículo se presentan las características, prestaciones yposibles aplicaciones de algunos materiales, bien de última gene-ración (caso del carburo de silicio) o bien en vías de investiga-ción (caso del grafeno) para la fabricación de dispositivos elec-trónicos. Se trata de unos materiales que abren nuevasposibilidades y vías de desarrollo a los diseñadores industriales.

Recibido: 23 de abril de 2011Aceptado: 30 de junio de 2012

ABSTRACTThis paper presents the characteristics, benefits and possi-ble applications of some materials, good art (the case of sili-con carbide) or in the process of investigation (the case of gra-phene) for the manufacture of electronic devices. Materialsopen up new possibilities and developing ways for industrialdesigners.

Received: April 23, 2011Accepted: June 30, 2012

INNOVACIÓN

New materials for the manufacture of electronic devices

Palabras claveElectrónica, materiales, silicio, grafeno, semiconductores, transisto-res, telecomunicaciones, dispositivos electrónicos

KeywordsElectronics, materials, silicon, graphene, semiconductor, transistors, tele-communications, electronic devices

Técnica Industrial, septiembre 2012, 299: 62-67 63

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La mayoría de los progresos tecnológi-cos coinciden en el tiempo con el descu-brimiento o desarrollo de un nuevo mate-rial o dispositivo que aporta nuevasposibilidades implanteables hasta esemomento, facilitando el alcance de nue-vas metas y funcionalidades. En la actua-lidad, el material empleado en la mayorparte de los dispositivos electrónicos esel silicio. El silicio es el componente prin-cipal de la mayoría de los dispositivossemiconductores, dado que presenta unascaracterísticas muy apropiadas, entre lascuales se encuentran:

– La abundancia significativa delmaterial.

– Admite un rango de temperaturasmuy aceptable respecto la temperaturaambiente, particularidad determinantefrente a la máxima temperatura queadmite el germanio.

– Tiene una tecnología de fabricaciónmuy desarrollada que consigue rendi-mientos superiores al 95% para obleasde hasta 12 pulgadas de diámetro (Semi-conductor Solutions, n.d.). Es un factormuy importante en la actualidad, dadoque algunos fabricantes de dispositivossemiconductores fabrican simultánea-mente varios tipos de dispositivos en cadaproceso de fabricación. Además, seproduce una mayor cantidad de disposi-

tivos. Debido a esto, las obleas de mayortamaño ofrecen, mayor versatilidad, unmayor rendimiento del proceso de fabri-cación y permiten a los fabricantes desemiconductores reducir los costes deproducción en un volumen mayor deproductos terminados.

Con estas características, el silicioocupa casi toda la totalidad del mercado.Aun así, esto no quiere decir que con elsilicio se consigan unas prestaciones ópti-mas, pues una vez descritos los benefi-cios aportados, también aparecen las limi-taciones. Este estudio plantea, conalgunos ejemplos, la posibilidad de otrosmateriales que existen en el mercado (esel caso del carburo de silicio) o que estánen investigación (como el grafeno) y queamplían enormemente las posibilidadesde aplicación y desarrollo de los sistemaseléctricos y electrónicos de potencia. Lamayor problemática de estos materialesreside en su proceso de fabricación.

En el caso del carburo de silicio, se hadesarrollado una breve exposición dealgunos de los dispositivos existentesen el mercado y sus aportaciones a loscircuitos electrónicos. Así mismo, se hallevado a cabo un estudio práctico parael caso del convertidor Buck-Boost.

Por último y englobando todo loexpuesto anteriormente, en el apartado

de conclusiones, se presentan varias pre-misas y posibilidades para futuros dise-ños de sistemas y nuevas aplicaciones quepudieran aparecer, utilizando los mate-riales a los que se ha hecho referencia.

MaterialesCarburo de silicioEl carburo de silicio (SiC) es un materialcomplicado de encontrar en el entornode forma natural.

Los primeros antecedentes de su exis-tencia datan de finales del siglo XIX,cuando el investigador Henri Moissan seencontraba examinando rocas de unmeteorito. Casi al mismo tiempo, en1893, Edward Goodrich Achenson, mien-tras trataba carbono con corindón, des-cubrió la presencia de un material crista-lino muy duro de color negro azulado. Sepensó que este material obtenido fueraun compuesto de carbono y corindón, porlo que se denominó carborundum’. Actual-mente, todo el carburo de silicio utilizadoes obtenido mediante síntesis. Y uno delos métodos más simples para su obten-ción es con una combinación de arena desílice y carbono en un horno de grafito,denominado de Achenson, a temperatu-ras entre el intervalo de 1.600-2.500 ºC.

En la actualidad y debido, entre otrasmuchas razones, a la gran dureza que le


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caracteriza, la principal utilización delcarburo de silicio es como material abra-sivo, pero su aplicación en dispositivoselectrónicos se encuentra en avanzadoestudio y desarrollo.

Existen alrededor de 250 presenta-ciones cristalinas similares de carburo desilicio denominadas polytypes. Los prin-cipales polytypes de SiC para su utiliza-ción como semiconductor son las estruc-turas 4H y 6H.

Estos semiconductores están caracte-rizados por unas propiedades que loshacen muy atractivos para su aplicaciónen electrónica de potencia. Entre estaspropiedades (SiC Power Transistors, n.d.)se encuentran:

– Una elevada conductividad térmica3,3 (W/cmK) para el SiC-4H y 4,9(W/cmK) para el SiC-6H.

– Alta densidad de intensidadmáxima.

– Significativa resistencia de rupturaante elevados campos eléctricos.

Propiedades que hacen obvias las ven-tajas que presenta el carburo de siliciofrente al silicio. Con todo, la inmadura ycomplicada tecnología de fabricación dedispositivos electrónicos en SiC impli-can que su utilización repercuta en uncoste excesivo.

Algunos problemas de los procesos defabricación del carburo de silicio seencuentran en:

– Los significativos problemas queconlleva la aparición de dislocaciones ymicropipes que afectarán indeseablementea la fabricación y que serán tanto másabundantes cuanto mayor sea el tamañode la oblea (Performance-Limiting Micro-pipe, 1994). El cristal sufre tensiones inter-nas y externas que causan el crecimientode los defectos o dislocaciones. Micropipesse denominan las dislocaciones linealesextendidas en forma de tornillo, trans-versalmente a lo largo del cristal.

– Dificultades con la interfaz entreSiC y SiO2, las cuales han complicado eldesarrollo del MOSFET y el aislamientode la puerta en los transistores bipolares.

– Problemas en los contactos óxido-metal a altas temperaturas.

– Por otro lado, al ser el tamaño de lasobleas menor que las utilizadas con el sili-cio, no se pueden aprovechar totalmentelos equipos de fabricación ya existentes.Además, por lo comentado anteriormente,el rendimiento o aprovechamiento de laoblea en su fabricación es muy reducido,del orden del 15% frente al más del 90%obtenido mediante el silicio.

En los últimos años se desarrollanmúltiples estudios de investigación y se

tiene gran interés sobre la tecnología delSiC. Se han generado múltiples patentessobre su tecnología de fabricación y sehan celebrado congresos y conferenciasinternacionales.

Aplicaciones del carburo de silicio

En la actualidad, en el mercado seencuentran dispositivos de SiC mediantelos cuales se pueden optimizar determi-nados circuitos o funciones. A continua-ción, se van a comentar algunos de ellosy sus prestaciones. Posteriormente, sepresentará un estudio práctico de apli-cación para el convertidor Buck-Boost.

Para la presentación de dispositivosde carburo de silicio se han tomado comoreferencia las siguientes empresas; en pri-mer lugar, SiCed a Siemens (SiC PowerTransistors, n.d.), la cual presenta diodosde barrera Schottky y el dispositivo deconmutación VJFET, y en segundo lugar,la empresa TranSiC (Power Transistors,n.d.), con el transistor BicSiC. Dichosdispositivos se detallan a continuación:

– Diodos Schottky de SiC. Dispositi-vos que tienen excelentes característicasde conmutación. Con los diodos de SiCse han obtenido tensiones de bloqueo dehasta 3.300 voltios. Además, se puede tra-bajar a frecuencias altas, dadas sus parti-culares características de recuperación. Y,por otro lado, se reducen tanto las pérdi-das en el diodo como en la conmutación.

– Una combinación en cascada de unMOSFET de silicio y un VJFET de car-buro de silicio proporciona un disposi-tivo con buenas cualidades de conmu-tación. Posee las características deentrada del MOSFET de baja tensión yla capacidad de bloqueo la aporta elVJFET utilizado.

– Transistores de carburo de silicio.Según la empresa TranSiC (Power Tran-sistors, n.d.), utilizando transistores decarburo de silicio BitSiC se obtienenlas siguientes cualidades:

• Altas temperaturas de trabajo.• Obtención de alta eficiencia con un

tamaño reducido y a alta temperatura.• Diseño compacto.• Tolerancia ante la exposición a

radiaciones.Aplicaciones directas de los disposi-

tivos comentados se obtienen con la sim-ple sustitución de los componentes crí-ticos de un circuito determinado porunos dispositivos adecuados de car-buro de silicio con las característicasapropiadas para la función a desempe-ñar por el circuito. Como ejemplo, setiene, el convertidor Buck-Boost, reduc-tor-elevador (sin transformador de aco-plamiento, aislamiento). Si se desarro-llan los valores de las tensiones a las quese encuentran sometidos los semicon-ductores, se pueden estimar las posiblescontribuciones de los dispositivos de car-buro de silicio en las tensiones de tra-bajo. El convertidor Buck-Boost pre-sentado se analizará en el modo deconducción continuo MCC (en el modode conducción continuo la intensidad através de la bobina no se anula duranteel funcionamiento).

La señal de salida del convertidorBuck-Boost depende del ciclo de trabajo“D” utilizado. En la figura 2, se presentala relación existente entre la tensión deentrada del convertidor “Vin” y la tensión“Vs” posterior al transistor que actúacomo interruptor.

Para desarrollar el análisis del con-vertidor Buck-Boost, según el ciclo detrabajo utilizado, primero se obten-drán los valores de la tensión de salida“Vout” y las tensiones máximas soporta-das por el diodo y el transistor, “VD maxy VT max”, respectivamente.

El cumplimiento, en el convertidorBuck-Boost, del principio de equilibriode la bobina (voltios-segundo) (Eriksonet al, 2001) conduce a la siguiente expre-sión:

Vin

M1

Convertidor Buck-Boost

D1 VoutVs

0

L1 C1 R1

2 1

Figura 1. Esquema del circuito del convertidor Buck-Boost.


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Vin DT - Vout(1-D)Ts = 0

De donde se puede obtener el valorde la tensión de salida “Vout”:

Vout = Vin D/ (1-D)

Los esfuerzos de tensión máximossoportados por los semiconductores, tantoel diodo como el transistor, serán del mismovalor y tendrán la siguiente magnitud:

VT max = VD max = Vin + Vout

Lo cual, substituyendo el valor obtenidode “Vout” en la ecuación anterior se tiene:

VT max = VD max = Vin /(1-D)

Con los datos resultantes se realizaráuna gráfica según la figura 3, en la que serepresentan la tensión de salida “Vout” y

las tensiones soportadas por los semi-conductores en función de los distintosvalores del ciclo de trabajo, lo cual ayu-dará a obtener una serie de conclusiones.

Para la obtención de la gráfica, se uti-lizará el método “en por unidad” refe-renciando los valores a un valor base demagnitud igual a la tensión de entrada“Vin”. De esa forma, el eje de ordenadasquedará cuantificado en unidades queexpresarán cuantas veces se tiene quemultiplicar a “Vin” para obtener el valorde los puntos de la gráfica.

Una vez representada la gráfica convalores del ciclo de trabajo desde 0,1 a0,9, se pueden extraer las siguientes con-clusiones:

– El valor del ciclo de trabajo D = 0,5será el valor frontera entre el comporta-miento como reductor o como elevador.

– Siempre habrá un incremento detensión en el transistor y en el diodo de

valor 1, (Valor, en por unidad, igual a latensión de entrada) respecto la tensiónde salida “Vout”.

– Para valores elevados del ciclo detrabajo (D≥8 el valor de la tensión desalida puede servir casi directamente paraevaluar la tensión soportada por los semi-conductores dada la poca variación exis-tente entre ellas, del orden del 10%.

– El valor del ciclo de trabajo y la ten-sión deseada a la salida, servirán comoreferencia para cuantificar y valorar, siinteresa o no, la utilización de semi-conductores de carburo de silicio y, así,poder soportar las tensiones apropiadas.

Este es un sencillo análisis que, sinentrar en la posibilidad de otras ventajascomo el aumento de la frecuencia de tra-bajo en el convertidor, la posible reduc-ción del tamaño de los elementos reac-tivos y la mejora de rendimientos, yapuede dar una primera valoración de laconveniencia y alcance de los dispositi-vos de carburo de silicio para la aplica-ción deseada.

GrafenoComo material con grandes posibilida-des y en investigación y desarrollo seencuentra el grafeno.

El grafeno es una lámina plana de car-bono de un átomo de espesor. Su estruc-tura está compuesta por átomos densa-mente empaquetados en una red cristalinaplana de celdas hexagonales, dispuestasen forma de nido de abeja, tal como semuestra en la figura 4.

En algunos materiales los electronesse mueven a lo largo de un plano; de ellosse dice que son bidimensionales. Losmateriales más conocidos son las hete-rouniones de arseniuro de galio (ArGa)utilizadas en teléfonos móviles y en lastelecomunicaciones ópticas.

El grafito está compuesto por muchasláminas de grafeno ordenadas transver-salmente, de la forma que se dispone enla figura 4. El tratamiento de este mate-rial es la base de la obtención del grafenoy el óxido de grafeno (v. figura 5).

El término grafeno apareció en inves-tigaciones realizadas alrededor de 1987sobre varios materiales entre los que setrataban los nanotubos de carbono(estructuras tubulares cuyo diámetro esdel orden de los nanómetros. Puedenpresentarse como semiconductores osuperconductores según sean sus carac-terísticas, generalmente geométricas deltipo, diámetro, espesor, número de capas,etcétera).

Un avance muy significativo se pro-dujo en la Universidad de Manchester en

Vo

DTs = ON

Ts

Ts = Periodo de conmutaciónD = Ciclo de trabajoVs = Tensión posterior al transistor

(1-D) Ts = OFF

Vs = DVin

t

D = 0,1

Tensión soportada por los semiconductores Tensión de salida

12

10

8

6

4

2

0

D = 0,2 D = 0,3 D = 0,4 D = 0,5 D = 0,6 D = 0,7 D = 0,8 D = 0,9

Figura 2. Relación entre tensiones según el ciclo de trabajo (Erikson, Maksimovic, 2001).

Figura 3. Valores de la tensión de salida y de las tensiones soportadas por los semiconductores según distintosvalores del ciclo de trabajo.


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2004, cuando el investigador Andre Geimlogra extraer cristales de grafeno de gra-fito a granel (Discovery of graphene,2004) y trasladarlos a una oblea de sili-cio en un proceso denominado rupturamicromecánica o técnica de la cinta deScotch. Esta técnica permitió la primeraobservación sobre el anómalo efecto Halldel grafeno y sus notables propiedadeselectrónicas (Geim y Novoselov, 2007).

Al mismo tiempo, en el Georgia Ins-titute of Technology se proponía la apli-cación del grafeno como material utili-zado en microelectrónica, utilizando lasmismas técnicas de fabricación conoci-das, basadas en crecimiento epitaxial sobresubstrato monocristalino (se define comomonocristal la estructura cristalina conorientación única y definida, orientacióndeterminante en el proceso de fabrica-ción) (Epitaxial Graphene Lab, n.d.).

A partir de entonces, se han desarro-llado grandes avances, en 2008 el Labo-ratorio Lincoln del MIT, han fabricadocientos de transistores en un solo chip(Berger, Song, Li T., Li X., Ogbazghi, etal., 2004) y en 2009 se han obtenido tran-sistores de muy alta frecuencia y peque-ñísimas dimensiones del orden del nanó-

metro (Lin, Jenkins, Valdes-García,Small, Farmer, et al., 2009).

En 2010 el premio Nobel de Física fueotorgado a los rusos Andre Geim y Kons-tantin Novoselov por sus trabajos deinvestigación en el desarrollo del grafeno.

Los estudios citados anteriormente hanlogrado presentar unas propiedades elec-trónicas excepcionales del grafeno. Comopeculiaridades características del grafeno(Geim, et al., 2007) se encuentran:

– Alta conductividad térmica y eléctrica.– Los electrones transportados por

grafeno se comportan casi como partí-culas sin masa, con un comportamientosimilar a los fotones de la luz.

– Permite una medida precisa y fiable.Debido a las propiedades anteriores,

los electrones del grafeno puedenmoverse a través de toda la lámina estruc-tural y no quedarse aislados en nin-guna zona (característica de los sistemasbidimensionales con impurezas), consi-guiendo una alta conductividad o movi-lidad de portadores (Bartoli, 2008).

Nuevamente, al igual que con el car-buro de silicio, el gran inconveniente quese encuentra en el grafeno reside en sutecnología de fabricación.

Aplicaciones del grafeno

Mediante el grafeno se están obteniendoresultados muy satisfactorios en las pres-taciones y características de los disposi-tivos electrónicos.

IBM (Lin et al., 2009) ha logrado dis-positivos con características excepcionales:

Reducción significativa del tamaño,longitudes de puerta de 150 nm, dimen-siones propias de la nanotecnología.

Elevadas frecuencias de conmutación,en las que la alta movilidad de los elec-trones hacen al grafeno un firme candi-dato para los osciladores de ultra alta fre-cuencia y los conmutadores.

IBM ha desarrollado estos dispositivosutilizando como sustrato monocristalinouna oblea de silicio. Pero pretende mejo-rar sus resultados llegando a frecuenciasdel orden de 100 GHz cuando la tecno-logía de fabricación sobre obleas de car-buro de silicio esté más desarrollada.

ConclusionesA lo largo de esta exposición se han pre-sentado dos materiales que están reciénimplantados o en fase de investigación,para aplicaciones en la electrónica depotencia, dejando constancia tanto de susbuenas propiedades, características yposibilidades, como de sus limitacionesen la actualidad.

En primer lugar, los dispositivos exis-tentes, presentes en el mercado de car-buro de silicio, ya deben ocupar un lugaren las mentes de los diseñadores de sis-temas eléctricos y electrónicos de poten-cia, realizando un estudio de necesidadesy un resultado de coste-beneficios en lautilización total o parcial de dispositivosde SiC y de sus ventajas. Se pueden plan-tear, como posibles estudios de diseño,los siguientes proyectos:

– Transmisión de energía eléctrica entensión continua, tanto en líneas soterra-das como submarinas y llegado el caso enlíneas aéreas, con longitudes más reduci-das en todas ellas. Ejemplos interesantes:

• La generación de energía eólica offs-hore (mar adentro), como es el caso de laOffshore-grid en los mares del Norte yBáltico para 2030.

• Conexiones eléctricas insulares,como la conexión realizada entre lapenínsula Ibérica y las islas Baleares.

• Líneas soterradas para reducir elimpacto medioambiental paisajístico yvisual, como ocurre en la conexión his-pano-francesa, a través de los Pirineos.

– Reducir o llegar a anular la necesi-dad de otros componentes, como podríanser los elementos de refrigeración en elcaso de la utilización de elementos de

< 1

nm

Figura 4. Estructura del grafeno y su disposición en el grafito.

nmnm

420

32

10 0 1 2

File name 120223Topographt011Head Mode NC-AFMSource TopographyData Width 512 (pxl)Data Height 512 (pxl)X Scan Size 3,5 (μm)Y Scan Size 3,5 (Hz)Z Servo Gain 1Set Point 16,52(nm)Amplitude 23,18 (nm)Set. Frequency 335,44E3 (Hz)

3

μm

μm

4

2

0

Figura 5. Imágenes de microscopio de fuerza atómica de óxido de grafeno obtenido a partir de la oxidación degrafito. Cortesía del Area de Materiales Avanzados de la Fundación del Centro Tecnológico de Componentes,Parque Tecnológico de Cantabria.

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SiC, mediante los cuales la temperaturaya no es tan problemática.

– Reducir dimensiones de la electró-nica de potencia para, por ejemplo, suaplicación en vehículos eléctricos.

En segundo lugar, desde la perspec-tiva del investigador, no se deben olvidary es importante tener presentes, todas lasprestaciones de los nuevos dispositivos(como las del grafeno) para la aperturade nuevas líneas de investigación. Ejem-plos se encuentran en:

– Las elevadas frecuencias de con-mutación que facilitarán una significa-tiva mejora de la calidad del muestreo delas señales.

– Un reducido tamaño que facili-tará la entrada en una nueva percepcióndel dimensionamiento y todas las posi-bilidades que ello acompaña (miniatu-rización de los sensores y actuadores,nanotecnología).

En la actualidad, es posible que con laaparición de nuevos hábitos en el entornomedioambiental, social y económico,como pueden ser el transporte eléctricoy la generación de energía eléctricamediante fuentes renovables o el con-sumo eficiente de la energía por parte delos consumidores, se faculte el impulsonecesario para conseguir la amplitud ydiversidad en la utilización de los dispo-

sitivos fabricados con estos nuevos mate-riales y así, poder disfrutar de las venta-jas por ellos ofrecidas.

BibliografíaBartoli C (2008). Graphene on silicon carbide.

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Francisco Javier Balbás García [email protected] técnico industrial, especialidad de electri-cidad (electrónica industrial). Máster Oficial en Inves-tigación en Ingeniería Industrial (módulo electro-ener-gético). Profesor asociado del Departamento deIngeniería Eléctrica y Energética, de la Escuela Téc-nica Superior de Ingenieros Industriales y de Tele-comunicación de la Universidad de Cantabria. Profe-sor del Máster en Tecnología de Instalaciones de laEdificación GTED-UC de la Escuela Técnica Supe-rior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos dela Universidad de Cantabria. Técnico del Laboratoriode Ensayos No Destructivos aplicados al sector dela construcción (LABEND-UC). Investigador del GrupoI+D de Gestión y Tecnología de la Edificación de laUniversidad de Cantabria (GTED-UC) en el sector dela eficiencia energética.Gerente en la empresa Anjaca(Ingeniería Industrial y de Laboratorio).

Carburo de silicio. Foto: Jasminka Keres / Shutterstock

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