Le SiC possède d'excellentes propriétés en tant que matériau semi-conducteur, notamment pour les composants de puissance utilisés dans la conversion et le contrôle de l'énergie.Comparé aux dispositifs en silicium traditionnels, le carbure de silicium (SiC) présente une faible résistance à l'état passant, une commutation rapide et un fonctionnement à haute température et haute tension, ce qui explique sa grande popularité dans les alimentations électriques, l'automobile, le ferroviaire, les équipements industriels et l'électronique grand public. Bien que la synthèse artificielle du SiC soit désormais possible, la production en série de composants de puissance en SiC a longtemps constitué un véritable défi pour les chercheurs, en raison de la complexité extrême du procédé.

※ Qu'est-ce que le carbure de silicium (SiC) ?

Le carbure de silicium est un matériau semi-conducteur composé de carbone et de silicium.Le carbure de silicium (SiC), le nitrure de gallium (GaN), le nitrure d'aluminium (AlN), l'oxyde de gallium (Ga2O3), etc., sont collectivement appelés matériaux semi-conducteurs à large bande interdite car la largeur de leur bande interdite est supérieure à 2.2 eV. Ils sont également appelés matériaux semi-conducteurs de troisième génération en Chine.

Du point de vue des matériaux, l'industrie des semi-conducteurs se divise en :

Matériaux semi-conducteurs élémentaires de première génération : tels que le silicium (Si) et le germanium (Ge) ;

Matériaux semi-conducteurs composés de deuxième génération : tels que l'arséniure de gallium (GaAs), le phosphure d'indium (InP), etc. ;

La troisième génération de matériaux à large bande interdite : tels que le carbure de silicium (SiC), le nitrure de gallium (GaN), le nitrure d'aluminium (ALN), l'oxyde de gallium (Ga2O3), etc.

Parmi eux, le carbure de silicium et le nitrure de gallium sont les matériaux semi-conducteurs qui présentent actuellement les perspectives commerciales les plus prometteuses et peuvent être considérés comme la nouvelle génération de « voies d'or » dans l'industrie des semi-conducteurs.

La découverte du carbure de silicium remonte à 1891. L'Américain Acheson découvrit un composé de carbone lors de l'électrolyse du diamant. Il s'agissait de la première synthèse et découverte du carbure de silicium. Après un siècle de recherches, et plus particulièrement depuis le début du XXIe siècle, l'humanité a enfin élucidé les avantages et les caractéristiques du carbure de silicium et les a exploités pour fabriquer divers nouveaux dispositifs. L'industrie du carbure de silicium a ainsi connu un développement rapide.

Comparé aux matériaux traditionnels en silicium, la bande interdite du carbure de silicium est 3 fois supérieure à celle du silicium ; sa conductivité thermique est 4 à 5 fois supérieure à celle du silicium ; sa tension de claquage est 8 fois supérieure à celle du silicium ; et son taux de dérive de saturation des électrons est 2 fois supérieur à celui du silicium.Grâce à ses diverses caractéristiques, le carbure de silicium est particulièrement adapté à la fabrication de dispositifs haute fréquence et haute puissance capables de résister à des températures élevées, des tensions élevées et des courants élevés.

Actuellement, il existe environ 200 formes de structure cristalline connues du carbure de silicium, y compris la structure cristalline cubique compacte de la sphalérite α (2H, 4H, 6H, 15R) et la structure cristalline hexagonale compacte de la wurtzite β (3C-SiC).

Parmi ces structures, la structure cristalline β (3C-SiC) permet la fabrication de dispositifs haute fréquence et de substrats pour d'autres matériaux en couches minces, comme la croissance de couches épitaxiales de nitrure de gallium et la fabrication de dispositifs radiofréquences à base de carbure de silicium et de nitrure de gallium. La forme cristalline α (4H) est utilisée pour la fabrication de dispositifs de puissance ; la forme 6H, la plus stable, convient à la fabrication de dispositifs optoélectroniques.

※ Avantages de performance du carbure de silicium

Si l'on considère uniquement les puces en carbure de silicium, dans le domaine des semi-conducteurs de puissance, le carbure de silicium présente des avantages incomparables par rapport aux puces de puissance traditionnelles à base de silicium : il supporte des courants et des tensions plus élevés, une vitesse de commutation supérieure, des pertes d'énergie moindres et une meilleure résistance aux hautes températures. Par conséquent, les modules de puissance en carbure de silicium permettent de réduire le nombre de condensateurs, d'inductances, de bobines et de composants de dissipation thermique, ce qui rend le module global plus léger, plus économe en énergie et offre une puissance de sortie accrue. La fiabilité s'en trouve également améliorée. Les avantages sont donc indéniables. En résumé :

1. Une impédance plus faible permet de concevoir des produits de plus petite taille et d'obtenir une efficacité accrue ;

2. Convient aux fréquences plus élevées et aux vitesses de commutation plus rapides ;

3. Excellentes caractéristiques de fonctionnement à haute température, capable de fonctionner à des températures plus élevées.

※ Pourquoi le carbure de silicium est-il si cher ?

Tout le monde sait que le carbure de silicium offre d'énormes perspectives commerciales, mais tous ceux qui rejoignent ce secteur se heurtent au premier problème, et le plus concret : que faire de ce matériau ?

L'environnement commercial extrêmement mature des industries traditionnelles à base de silicium s'explique au moins pour moitié par la relative facilité d'obtention des matériaux en silicium.Grâce à une technologie de préparation du silicium éprouvée et performante, ce matériau est aujourd'hui très abordable. Actuellement, une plaquette de silicium polie de 6 pouces coûte seulement 150 yuans, une de 8 pouces 300 yuans et une de 12 pouces environ 850 yuans.

Ce n'est que lorsque les matières premières seront suffisamment bon marché que l'échelle de l'industrie pourra être augmentée !

Actuellement, grâce à la méthode Czochralski, une tige monocristalline de silicium d'environ 2 à 3 mètres peut être produite en 72 heures, et une seule tige monocristalline peut découper des milliers de plaquettes de silicium à la fois.

Savez-vous quelle épaisseur peut atteindre un monocristal de carbure de silicium en 72 heures ? Moins de quelques centimètres !

Actuellement, la méthode la plus rapide pour faire croître des monocristaux de carbure de silicium a un taux de croissance d'environ 0.1 mm/h à 0.2 mm/h, de sorte que l'épaisseur du cristal n'est que de 7.2 mm à 14.4 mm en 72 heures.

On peut donc imaginer le coût élevé des plaquettes de carbure de silicium. Actuellement, le prix des substrats de 4 pouces se situe entre 2 000 et 3 000 yuans, tandis que celui des substrats de 6 pouces atteint 6 000 à 8 000 yuans. Les plaquettes épitaxiales coûtent au moins aussi cher que les plaquettes X2 et sont toujours en rupture de stock.

Leader mondial du carbure de silicium, l'entreprise américaine Cree détient près de 70 % des capacités de production. De ce fait, les fabricants en aval, tant nationaux qu'étrangers, ont signé des contrats à long terme avec Cree afin de sécuriser leur production.

※ Marché du carbure de silicium

Les transistors MOSFET et les diodes en carbure de silicium sont utilisés dans les applications solaires, les systèmes d'alimentation sans coupure (UPS), les applications industrielles, automobiles et autres :Principalement utilisé dans les onduleurs pour le stockage d'énergie photovoltaïque, les alimentations sans coupure pour serveurs de centres de données, les bornes de recharge pour réseaux intelligents et autres applications exigeant un rendement de conversion élevé, le carbure de silicium (SiC) s'est également imposé rapidement dans ce nouveau domaine avec le développement des véhicules électriques et hybrides (xEV) ces dernières années. Les secteurs concernés incluent l'énergie (photovoltaïque, recharge de véhicules électriques, réseaux intelligents, etc.), l'automobile (contrôleurs embarqués, onduleurs), les infrastructures (serveurs), etc.

En résumé, dans un avenir proche, nous pouvons prévoir que le carbure de silicium aura un impact révolutionnaire sur l'industrie de l'électronique de puissance !

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