Zoom sur le carbure de silicium, un semi-conducteur en forte croissance
Le carbure de silicium, de formule SiC, a été découvert par synthèse en 1885, puis produit et commercialisé par la société américaine « carborundum » créée par E. G. Acheson vers 1896. SiC est avant tout connu et toujours largement utilisé en tant que matériau très dur, abrasif, résistant à l'usure et réfractaire.
L’aventure du carbure de silicium semi-conducteur débute en 1907 quand H.J. Round découvre que sous un courant électrique le SiC est électroluminescent. Mais son caractère réfractaire et la difficulté à obtenir des monocristaux de qualité électronique vont freiner son développement en tant que semi-conducteur.
Ce n’est qu’au milieu des années 1950, en exploitant le diagramme Si-O-C, que sont obtenus par sublimation à haute température des monocristaux de moins d’un centimètre sur lesquels des tests de composants électroniques peuvent être faits.
Quelques données structurales
Les études structurales montrent que SiC peut cristalliser sous de très nombreuses formes, toutes dérivant d’arrangements différents des couches de tétraèdres SiC4 qui s’empilent les uns sur les autres.
Ces structures appelées polytypes, qui diffèrent par le mode d'empilement(i) des couches (notées A, B, C, …) le long d'une direction, sont signalées par un symbole spécifique traduisant le type de la structure, C pour cubique, H pour hexagonal,(ii) … et par un chiffre indiquant la séquence d’empilement(iii).
Par exemple dans le 4H SiC la séquence est de type ABCB, dans le 6H SiC elle est de type ABCACB(iv) et dans le 3C SiC on a l’empilement ABC(v).
Propriétés semi-conductrices
La structure influe sur les propriétés semi-conductrices qui sont résumées et comparées aux semi-conducteurs les plus utilisés, dans le tableau suivant.
| Propriétés | Si | GaAs | 4H SiC | 3C SiC | GaN |
|---|---|---|---|---|---|
| Gap (eV) | 1,1 | 1,4 | 3,2 | 2,4 | 3,4 |
| Champ de claquage (MV/cm) | 0,3 | 0,4 | 4 | 1–2 | 5 |
| Vitesse de saturation (107 cm/s) | 1,1 | 1 | 2 | 2,5 | 2,5 |
| Conductivité thermique (W·m−1·K−1) | 1,5 | 0,5 | 3,7 | 3,6 | 1,3 |
Rappelons ce qu’est le gap. Il s’agit de l’intervalle d’énergie entre le haut de la bande de valence et le bas de la bande de conduction, dans lequel on ne trouve pas de niveau d'énergie électronique. Cela correspond à la bande interdite. Si le gap est nul, on est en présence d’un métal qui conduit le courant électrique. Si le gap est très grand, il s’agit d’un isolant électrique. Les électrons restent dans la bande de valence et aucun ne va dans la bande de conduction. Le gap d’un semi-conducteur est suffisamment petit pour que des électrons de la bande de valence puissent facilement rejoindre la bande de conduction (cf. fig 1).
Fig. 1. Schéma théorique établi selon la théorie des bandes d'énergie indiquant la position respective de la bande de valence et de la bande de conduction dans le cas des métaux, semiconducteurs et isolants. Source : Pieter Kuiper, travail dérivé : Guillaume Paumier, WIkiMedia Commons, licence CC BY-SA 3.0.
SiC fait partie des semi-conducteurs à grand gap. Plus cette bande interdite est large, plus il est difficile d’exciter thermiquement les porteurs de charges intrinsèques à l’origine des courants de fuite, notamment quand la température s’élève. Alors que le silicium devient quasi conducteur à 200°C, le 4H SiC possède un très faible niveau de porteurs intrinsèques de l’ordre 1014 cm-3 à 1000°C et garde ses propriétés semi-conductrices.
La forte conductivité thermique de SiC, quasiment comparable à celle du cuivre, lui permet de dissiper efficacement la chaleur générée lors de son fonctionnement et de limiter son auto-échauffement en évitant de fixer les radiateurs de refroidissement indispensables comme sur les composants au silicium. Cela fait de SiC un des composants le plus adapté aux fortes puissances supportant des intensités de courant et de tensions élevées grâce aussi à une bonne tension de claquage et à son caractère réfractaire lui donnant une bonne inertie chimique à haute température.
Enfin la vitesse de saturation(vi) des électrons est deux fois plus élevée que pour le silicium ou l’arséniure de gallium ; ainsi les porteurs de charges sont évacués deux fois plus rapidement sous l’influence d’un champ électrique, ce qui fait que le SiC peut aussi être utilisé pour les composants Hautes Fréquences.
Fabrication et marchés
Grâce à la recherche qui a permis de produire des monocristaux de bonne taille et de qualité, la production industrielle a commencé dans les années 2010. Notamment aux États-Unis par la société Wolfspeed, en Allemagne par Infineon Technologies et par la société STMicroelectronics franco-italienne qui, avec l’aide des laboratoires du CNRS et du CEA Leti à Grenoble, est devenue le leader des composants à base de SiC, notamment grâce au marché des véhicules électriques, étant depuis plusieurs années le fournisseur exclusif de Tesla.
En effet, dans une voiture électrique (VE) les dispositifs de redresseurs et d’onduleurs sont nombreux ainsi que les divers capteurs de température, d’efforts et de pression. Les diodes Schottky(vii) et les transistors MOSFET(viii) en carbure de silicium ont remplacé progressivement les transistors bipolaires en silicium. Ils sont plus coûteux, mais ils peuvent encaisser plus de puissance sous un volume réduit, plus légers plus fiables en température, plus efficaces en courant alternatif. Ils permettent de gagner en poids sur les systèmes de recharge et de contrôles des batteries et surtout, y compris dans les bornes de recharges, de diminuer le temps de recharge en admettant des puissances élevées et, par là même, améliorer l’autonomie des automobiles.
Quand on sait que de nombreux usagers hésitent à s’équiper d’une voiture électrique devant l’autonomie limitée et les temps passés à la recharge, on peut dire que le carbure de silicium est un vecteur de la décarbonisation du transport. Quand on sait aussi que l’on a besoin d’onduleurs de puissance pour transformer le courant à la sortie d’un parc de panneaux solaires, on peut ajouter que SiC est essentiel à la transition énergétique.
Il est aussi un débouché commercial pour notre société franco-italienne, qui depuis 2024 subit le marasme économique qui a frappé les composants pour smartphones et ordinateurs avec un marché atone sur les mémoires et puces électroniques. Le marché prometteur des composants en SiC, que les experts entrevoient à 8 milliards d’euros d’ici 2028, pousse notre société européenne à développer les wafers(ix) de 200 mm de diamètre dans son usine de Catane et dans une co-entreprise à Chongqing avec le fabricant Sanan pour être présent sur le marché automobile chinois où les achats de véhicules électriques neufs ont dépassé les 54 %.
Après avoir été le roi des durs et des réfractaires, voici le carbure de silicium devenu le prince de l’électronique. « Sic transit gloria mundi (x) ».
(i) Les polytypes diffèrent par le mode d'empilement (translation et/ou rotation) du module le long d'une direction : les deux paramètres de maille dans le plan du module sont communs à tous les polytypes, alors que le troisième diffère.
(ii) Le symbole correspond au système cristallin : A : anorthique (triclinique) ; M : monoclinique ; O : orthorhombique ; Q : quadratique (tétragonal) ; T : trigonal ; R : rhomboédrique ; H : hexagonal ; C : cubique.
(iii) Pour plus de détails et des schémas on peut consulter :
https://www.silicon-carbides.com/fr/blog/what-is-the-difference-between-4h-sic-and-6h-sic.html
https://fr.semicorex.com/news-show-3688.html
et https://www.researchgate.net/figure/Diagramme-schematique-montrant-les-structures-principales-du-SiC-paralleles-au-plan_fig1_350979178
(iv) Le 6H SiC est de type wurtzite.
(v) Le 3C SiC est de type blende.
(vi) La vitesse de saturation est la vitesse maximale qu'atteint un porteur de charge dans un semi-conducteur, généralement un électron, en présence de champs électriques très intenses.
(vii) Une diode Schottky a un seuil de tension directe très bas et un temps de commutation très court. https://fr.wikipedia.org/wiki/Diode_Schottky.
(viii) MOSFET (acronyme anglais de metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, transistor à effet de champ à structure métal-oxyde-semiconducteur).
(ix) Le terme anglais Wafer indique une plaque très fine de matériau semi-conducteur monocristallin utilisée pour fabriquer des composants de microélectronique.
(x) Ainsi passe la gloire du monde !
Crédit illustration : Wafer, amazing studio/Adobe Stock