Semi-conducteur en carbure de silicium

Le carbure de silicium (SiC) est un semi-conducteur avancé qui surmonte de nombreuses limitations des dispositifs traditionnels en silicium. Avec une bande interdite trois fois plus large que celle du silicium et une meilleure conductivité thermique, les dispositifs en SiC sont idéaux pour gérer des tensions et des températures plus élevées que leurs homologues en silicium.

Cet article présente les propriétés de base et les avantages du SiC qui ont accéléré sa popularité dans les applications de l'électronique de puissance. Nous passerons en revue les différentes techniques de croissance épitaxiale des cristaux ainsi que la caractérisation physique des couches produites.

Bande interdite

La large bande interdite du carbure de silicium le rend idéal pour les applications de commutation de conversion d'énergie, ce qui lui permet de supporter des tensions, des courants et des températures plus élevés que les semi-conducteurs typiques à base de silicium - ce qui permet d'obtenir des conceptions plus petites avec des coûts de système réduits.

La bande interdite d'un matériau correspond à l'énergie nécessaire aux électrons pour passer des bandes de valence des atomes aux bandes de conduction de ces mêmes atomes. Les matériaux à large bande interdite agissent comme des conducteurs, tandis que ceux à bande étroite agissent comme des isolants ; le carbure de silicium possède une bande interdite trois fois plus grande que celle du silicium, ce qui en fait un matériau semi-conducteur incroyablement efficace.

Les matériaux à large bande interdite ne dépendent pas de tensions élevées pour activer l'énergie thermique ; ils peuvent fonctionner à des températures beaucoup plus élevées - jusqu'à 300 degrés Celsius, contre 175 degrés Celsius pour le silicium.

La bande interdite du carbure de silicium peut également offrir plusieurs avantages aux applications automobiles, en réduisant les coûts du système tout en améliorant l'efficacité et en réduisant les systèmes de refroidissement actifs qui ajoutent du poids et de la complexité aux véhicules électriques. L'intégration du carbure de silicium dans les circuits de commutation de conversion d'énergie nécessite une expertise unique, car il doit être correctement dimensionné et configuré en fonction des spécifications de performance de l'application ; il est également nécessaire d'adopter une approche holistique lors de l'examen des compromis entre les coûts de refroidissement et les avantages en termes de coûts des matériaux et de performances du carbure de silicium.

Champ de rupture

Le carbure de silicium (SiC) est un matériau semi-conducteur innovant qui présente de nombreux avantages pour les applications d'électronique de puissance, tels que des capacités de tension de blocage élevées, des temps de commutation rapides et des pertes réduites. Les dispositifs à base de carbure de silicium présentent également des intensités de champ de rupture plus élevées que ceux à base de silicium, ce qui permet aux concepteurs d'augmenter le flux de courant pour des tailles de dispositifs données.

L'intensité du champ de rupture des semi-conducteurs est directement proportionnelle à leur écart énergétique, qui détermine s'ils agissent comme des conducteurs ou des isolants. Les conducteurs permettent aux électrons de passer librement entre leurs bandes de valence et de conduction, tandis que pour les isolants, il faut une quantité importante d'énergie pour franchir les barrières entre ces bandes. Le SiC a une bande interdite exceptionnellement large, ce qui en fait un conducteur avec une intensité de champ de claquage supérieure à celle d'autres matériaux tels que le Si.

Le SiC peut être modifié en le dopant avec des impuretés telles que l'aluminium, le bore, le gallium ou l'azote ; ses propriétés électriques peuvent alors être adaptées en modifiant sa composition chimique avec des dopants (impuretés). Le dopage peut faire en sorte que le SiC se comporte comme un isolant en le dopant avec ces éléments ou qu'il se comporte comme un semi-conducteur en ajoutant de l'azote ou du phosphore - la concentration et la distribution spatiale des dopants sont essentielles pour ses performances dans les dispositifs ; leur concentration et leur distribution doivent donc être vérifiées pour s'assurer qu'il n'y a pas de contaminants nocifs.

Température

Les semi-conducteurs en carbure de silicium (SiC) présentent de nombreux avantages pour les applications d'électronique de puissance, notamment une tension de claquage élevée, des vitesses de commutation plus rapides, des pertes plus faibles et une résistance aux rayonnements - ce qui les rend adaptés à de nombreuses conceptions et à des conceptions avec des exigences de refroidissement réduites en raison d'un fonctionnement à des températures plus élevées. La capacité des semi-conducteurs SiC à fonctionner à des températures élevées permet également de réduire les besoins en refroidissement, ce qui se traduit par des dispositifs plus petits et plus légers.

Le SiC est un matériau semi-conducteur qui peut être dopé à l'azote et au phosphore pour produire un semi-conducteur de type n, ou dopé au bore, à l'aluminium ou au gallium pour produire un semi-conducteur de type p. Cela crée une large bande interdite, ce qui signifie que l'électricité peut circuler plus facilement à des températures plus élevées qu'avec le silicium. Cela crée une large bande interdite, ce qui signifie que l'électricité peut circuler beaucoup plus facilement à des températures plus élevées qu'avec le silicium. En outre, la conductivité thermique du SiC est exceptionnelle ; sa résistance à la température s'étend jusqu'à 1600 degrés Celsius.

Les performances à haute température des semi-conducteurs SiC en font la solution idéale pour les applications à courant élevé telles que les voitures électriques. Les voitures électriques nécessitent des flux de courant massifs pour accélérer, tout en fonctionnant dans des environnements chauds comme les déserts ou les montagnes - la résistance supérieure à la chaleur du SiC en fait la solution parfaite.

Bien que le SiC soit rare dans la nature, il peut être créé synthétiquement par différents procédés. L'un d'entre eux consiste à dissoudre du carbone dans du silicium en fusion ; un autre consiste à chauffer de l'argile mélangée à du coke en poudre dans un four électrique ; ou encore, il peut être cultivé directement sur des plaquettes par des procédés de dépôt chimique en phase vapeur.

Dopage

Le dopage des semi-conducteurs en carbure de silicium consiste à ajouter des impuretés dans son réseau cristallin afin de modifier ses propriétés et d'altérer ses caractéristiques. Le dopage peut être réalisé soit par implantation ionique, soit au cours du processus de croissance cristalline par dopage in situ. Bien que l'implantation ionique soit préférable en raison de son dopage uniforme sur toute la surface, le dopage in situ nécessite des températures d'activation plus élevées qui pourraient dégrader de manière significative la mobilité du canal des transistors à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur, ce qui aurait un impact négatif sur les performances de l'appareil.

L'implantation ionique présente également son lot d'inconvénients. Il peut être difficile de contrôler précisément la concentration de dopants, ce qui peut entraîner de grandes variations dans la structure de la bande du semi-conducteur ainsi que de nombreux défauts de surface et une diminution de la qualité des produits en carbure de silicium.

Pour surmonter ces problèmes, une nouvelle méthode de dopage utilisant un composé de bore a été mise au point. Ce composé de bore est ensuite appliqué directement sur les surfaces de carbure de silicium à l'aide d'une solution contenant du méthanol ; cela permet une distribution plus uniforme des atomes de bore sur toute la surface, ce qui améliore la qualité des produits en carbure de silicium et réduit le temps de recuit d'activation (He et al. 2010 ; Tang et al. 2018 ; Sun et al. 2017b).