El silicio, abundante y fácil de procesar, ha sido el material preferido durante décadas en la industria de los semiconductores, pero los vehículos eléctricos están contribuyendo a reducir su dominio en busca de la eficiencia energética.
Tesla ha sido un catalizador de este cambio. El fabricante de automóviles estadounidense fue el primero en su sector en utilizar chips de carburo de silicio en un vehículo de producción en serie, incorporándolos en algunos de sus Model 3.
Este movimiento dio a este material de ahorro de energía un impulso en la cadena de suministro de los vehículos eléctricos, con ramificaciones para la industria del chip.
El carburo de silicio, abreviado SiC, contiene silicio y carbono. Con enlaces químicos más fuertes que los del silicio, es la tercera sustancia más dura del mundo.
Su procesamiento requiere una tecnología avanzada, pero la estabilidad del material y otras propiedades permiten a los fabricantes de chips reducir la pérdida de energía a más de la mitad en comparación con las obleas de silicio estándar.
Los chips de SiC también disipan bien el calor, lo que permite utilizar inversores más pequeños, un componente crucial del vehículo eléctrico que regula el flujo de energía hacia el motor.
El Model 3 tiene un factor de resistencia al aire tan bajo como el de un vehículo deportivo, y reducir los inversores permitió su diseño aerodinámico, así explica Masayoshi Yamamoto, profesor de la Universidad de Nagoya en Japón.
El movimiento de Tesla ha sacudido a la industria del chip. En junio, el fabricante de chips alemán Infineon Technologies presentó un módulo de SiC para inversores de vehículos eléctricos.
Otros fabricantes se unen a la tendencia
Hyundai Motor utilizará chips de SiC fabricados por Infineon en su próxima generación de vehículos eléctricos. Se dice que estos chips permiten aumentar la autonomía del vehículo en más de un 5% en comparación con el silicio.
El fabricante de automóviles francés Renault firmó en junio un acuerdo con la empresa suiza STMicroelectronics para el suministro de chips de SiC a partir de 2026. El acuerdo también incluye chips fabricados con nitruro de galio, otro material alternativo para las obleas de semiconductores.
El mercado de los chips de SiC se multiplicará por seis en 2026 con respecto a 2020, alcanzando los US$ 4.480 millones, según las previsiones de la empresa francesa de estudios de mercado Yole Developpement.
La diferencia de precio entre el silicio y el SiC, más caro, se está reduciendo. La producción en masa y otros factores han reducido la diferencia de costo.
La diferencia de precio se ha reducido a aproximadamente el doble, frente a las aproximadamente diez veces de hace cinco años. Con algunos proveedores de la industria del chip que están empezando a fabricar obleas de SiC más grandes, esta diferencia podría reducirse aún más.
Rohm ha sido un líder en este campo, produciendo en masa el primer transistor de SiC del mundo en 2010. La unidad alemana SiCrystal, adquirida en 2009, fabrica obleas de SiC, lo que da a Rohm una capacidad de producción de principio a fin.
La empresa japonesa pretende alcanzar una cuota de mercado mundial del 30% en chips de SiC para el año fiscal 2025. Recientemente ha inaugurado una planta de producción adicional en la prefectura japonesa de Fukuoka, como parte de sus planes para quintuplicar su capacidad.
Rohm dijo que varios de los próximos modelos de vehículos eléctricos utilizarán sus chips de SiC. También tiene un acuerdo con el fabricante chino de vehículos eléctricos Geely sobre la tecnología de los chips de próxima generación.
Figura 1. El carburo de silicio se convertirá en el material utilizado para los chips
Las alternativas al silicio
El SiC también tiene rivales como alternativa al silicio. El nitruro de galio (GaN) tiene el potencial de reducir la pérdida de energía a una décima parte de lo que ocurre con los chips de silicio. El uso de este material en semiconductores se desarrolló en Japón para crear diodos emisores de luz azul. Aunque los chips de GaN se utilizan en algunas áreas, como los dispositivos de carga, el material aún no ha mostrado todo su potencial porque se ha utilizado sobre todo junto con otros materiales, incluido el silicio.
La búsqueda de alternativas al silicio refleja los límites cada vez más evidentes de la mejora del rendimiento de los chips.
El desarrollo de una electrónica más pequeña y potente requiere el grabado de patrones de circuitos cada vez más diminutos. Con una escala de 5 nanómetros (1 nanómetro equivale a una milmillonésima parte de un metro), la proyección de que la densidad de los transistores se duplicará aproximadamente cada dos años -conocida como Ley de Moore- se está poniendo a prueba como nunca antes.
La conservación de la energía también impulsa las innovaciones en los materiales de los chips. La expansión de los vehículos eléctricos, los centros de datos y otros elementos de la economía digital crearán una enorme demanda insatisfecha de electricidad si no se toman medidas para mejorar la eficiencia energética.
La nueva empresa estadounidense Lab 91, una empresa derivada de la Universidad de Texas en Austin, está desarrollando una tecnología para superponer grafeno (hojas de carbono de sólo un átomo de grosor) en obleas de chips.
Las primeras pruebas han tenido éxito y la empresa está en conversaciones con los fabricantes de chips para evaluar la tecnología con miras a su producción en masa.
El grafeno puede mejorar el rendimiento de los chips en una amplia gama de aplicaciones, desde los vehículos eléctricos hasta los LED y los sensores de imagen utilizados en las cámaras de los teléfonos inteligentes.
El diamante, llamado por algunos el semiconductor definitivo, es una alternativa al silicio que puede cambiar las reglas del juego, pero que es costosa. El fabricante tokiota Adamant Namiki Precision Jewel ha desarrollado una tecnología para producir chips de potencia con diamante.
La sustancia más dura del mundo tiene la capacidad teórica de reducir la pérdida de energía a una 50.000ª parte de la del silicio. Pero la clave está en conseguir que estos chips sean rentables. Los sustratos de diamante cuestan ahora miles de veces más que las obleas de silicio.
Dado que los semiconductores son vitales para la seguridad nacional y la competitividad económica, los gobiernos de China, EE.UU. y Europa quieren apoyar la investigación y el desarrollo de nuevos materiales para chips.
El apoyo a la I+D y la inversión en este campo formaba parte de una estrategia para los semiconductores publicada por el Ministerio de Economía, Comercio e Industria de Japón en junio. Así como el silicio fue, junto con el acero, uno de los materiales que construyeron el siglo XX, el próximo gran material semiconductor parece que se convertirá en un motor de la competencia internacional en las próximas décadas.
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