Carbure de silicium : Un changement de donne pour les dispositifs à semi-conducteurs

Le carbure de silicium (SiC) est revenu sur le devant de la scène en tant que matériau technologique essentiel, en raison de ses excellentes propriétés physiques et électriques. Le carbure de silicium est utilisé dans les véhicules électriques pour des opérations à plus haute tension avec une commutation plus rapide et une perte de puissance réduite.

Le SiC se trouve à l'état naturel sous la forme d'un minéral rare, la moissanite, et dans certaines météorites et kimberlites, bien que la plupart soit produite synthétiquement en utilisant des processus de liaison par réaction ou de frittage.

Faible densité

Le SiC est beaucoup plus léger que le silicium avec une densité de 1,33 g/cm3 ; en outre, il présente une rigidité et une conductivité thermique supérieures, ce qui en fait le matériau idéal pour les applications qui exigent à la fois résistance et légèreté des composants.

La faible dilatation thermique du SiC le rend adapté aux applications exigeant une grande fiabilité dans des conditions difficiles, tandis que son inertie à de nombreux produits chimiques et solvants le rend très résistant à l'usure chimique - une caractéristique indispensable dans la lapidairerie moderne. En outre, le SiC est inerte contre l'usure chimique, ce qui en fait un matériau important dans les processus d'usinage modernes utilisant des procédés d'usinage par abrasion.

Les dispositifs semi-conducteurs en SiC peuvent être produits par divers procédés, notamment le frittage, le collage par réaction, la croissance cristalline et le dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Le SiC se caractérise par une faible densité tout en possédant d'excellentes propriétés de rigidité et il est adapté à des températures de fonctionnement allant jusqu'à 300o C.

Market Research Future prévoit que l'industrie des semi-conducteurs de puissance connaîtra une croissance exponentielle de son chiffre d'affaires en raison de l'augmentation de la demande de SiC due aux besoins des réseaux sans fil 5G en semi-conducteurs plus performants et plus économes en énergie.

Les semi-conducteurs SiC sont plus efficaces sur le plan énergétique que leurs homologues en silicium et peuvent réduire les coûts de manière significative. Leur technologie à large bande interdite permet de réduire les pertes et l'échauffement dans l'électronique, ce qui améliore l'efficacité énergétique - une caractéristique essentielle pour l'adoption des véhicules électriques car elle permet de réduire la taille des batteries, les coûts des moteurs et les coûts des onduleurs.

Résistance aux températures élevées

Le carbure de silicium (SiC) est l'un des matériaux les plus résistants fabriqués par l'homme et peut supporter des températures plus élevées que les semi-conducteurs traditionnels, ce qui permet d'obtenir des dispositifs de puissance plus petits et plus légers qui améliorent l'efficacité énergétique tout en réduisant les coûts de production et les frais de fabrication. En outre, les dispositifs en carbure de silicium peuvent être conçus avec des pertes de puissance plus faibles et des vitesses de commutation plus rapides, pour des performances accrues.

Le SiC est généralement un isolant à l'état pur ; cependant, lorsqu'il est dopé avec des impuretés, il crée des porteurs de charge libres et acquiert des propriétés semi-conductrices (c'est ce qu'on appelle le dopage). Une fois dopé, le SiC peut être transformé en transistors qui convertissent le courant électrique en sortie utile, ce qui rend les composants plus puissants plus rentables et plus attrayants pour les utilisateurs finaux.

Le SiC est un excellent choix de matériau pour les applications de puissance à haute performance telles que la communication RF - aujourd'hui la norme dominante dans l'IdO - grâce à sa large bande interdite permettant un fonctionnement à haute fréquence à des tensions plus faibles pour une densité de puissance améliorée et des pertes réduites.

Le SiC est un matériau essentiel dans l'électronique de puissance. Il a déjà été adopté dans les onduleurs des véhicules électriques pour remplacer les semi-conducteurs au silicium traditionnels, améliorer les performances des batteries et renforcer la sécurité. Il est d'ores et déjà utilisé comme un moyen important de moderniser les onduleurs des voitures.

Large bande passante

La large bande interdite du carbure de silicium permet aux dispositifs fabriqués à partir de ce matériau de fonctionner à des températures plus élevées, ce qui constitue un avantage dans des applications telles que la production et la transmission d'énergie. En outre, sa large bande interdite permet aux dispositifs fabriqués à partir de carbure de silicium de résister à des tensions beaucoup plus élevées que les semi-conducteurs traditionnels.

La dureté et la rigidité supérieures du carbure de silicium en font un excellent matériau pour la fabrication de miroirs de télescopes astronomiques. Très résistant aux chocs thermiques, le carbure de silicium peut être transformé en grands disques mesurant jusqu'à 3,5 mètres. En tant que céramique non oxydée, il peut être formé par réaction ou par frittage, ce qui influence grandement sa microstructure et ses propriétés.

Le silicium et le carbone font partie des quatre éléments les plus abondants dans la nature. Toutefois, le carbure de silicium n'apparaît que rarement à l'état naturel et on n'en trouve que d'infimes traces dans les dépôts rocheux ou les météorites. Néanmoins, il peut être facilement produit synthétiquement et est utilisé depuis longtemps comme abrasif et simulateur de pierres précieuses (carborundum).

Les méthodes modernes de production du carbure de silicium utilisé dans les industries des abrasifs, de la métallurgie et des réfractaires utilisent un mélange de sable siliceux pur et de carbone sous forme de coke finement broyé, qui est ensuite placé autour d'un conducteur de briques de four à résistance électrique et chauffé à haute température jusqu'à ce que des réactions chimiques se produisent et produisent du carbure de silicium ainsi que du gaz de monoxyde de carbone.

Haute efficacité

Alors que le monde adopte une révolution énergétique fondée sur les véhicules électriques et les sources d'énergie renouvelables, la demande de dispositifs semi-conducteurs avancés, plus petits, plus rapides et plus efficaces sur le plan énergétique, a explosé. Alors que les puces en silicium traditionnelles peinent à répondre à cette demande, les technologies à large bande interdite comme le SiC et le nitrure de gallium offrent des avantages significatifs par rapport à leurs homologues.

La capacité du carbure de silicium à fonctionner à des températures, des fréquences et des tensions plus élevées permet aux concepteurs d'optimiser les performances tout en réduisant la taille des circuits, ce qui se traduit par une réduction des coûts globaux. En outre, les propriétés de dissipation thermique du carbure de silicium contribuent à abaisser les températures globales du système, ce qui améliore l'efficacité et la fiabilité.

Les dispositifs à base de carbure de silicium présentent également des limites de champ électrique critique plus élevées que leurs homologues à base de silicium, ce qui leur permet de gérer des courants beaucoup plus importants avec des pertes de commutation réduites et d'améliorer ainsi de manière significative l'efficacité et les performances des dispositifs.

Les propriétés uniques du carbure de silicium en font un matériau idéal pour les dispositifs semi-conducteurs de puissance utilisés dans diverses applications, notamment les véhicules électriques, la production d'énergie solaire et les systèmes de stockage d'énergie. Market Research Future prévoit que les dispositifs en carbure de silicium seront à l'origine de la croissance du chiffre d'affaires au cours des cinq prochaines années dans ce segment, en raison de l'augmentation de la demande d'énergie propre, combinée à son efficacité, à son coût réduit et à sa petite taille, qui pourraient révolutionner les transports, les communications et la production d'énergie.