L’adoption de semi-conducteurs de puissance en carbure de silicium (SiC) dans tout, des véhicules électriques au PV solaire et aux moteurs industriels, s’accélère, mais d’où vient ce matériau ? Qu’est-ce qu’il a de si spécial ? Et pourquoi a-t-il fallu tant de temps pour que le SiC s’impose dans l’industrie des semi-conducteurs, alors qu’il a été utilisé pour la première fois à la base de détecteurs radio il y a plus d’un siècle ?
Poussière d’étoile sur vos bottes
La croûte terrestre comprend environ 28% de silicium et 0,03% de carbone, vous pourriez donc penser que vous trouverez suffisamment de carbure de silicium (SiC) pour fabriquer quelques puces semi-conductrices collées à la semelle de vos bottes après une longue promenade dans la campagne. Si la promenade s’est faite au-dessus d’un cratère d’impact de météorite, vous pourriez trouver quelques taches – le seul SiC présent à l’état naturel se trouve sous forme de moissonite, de débris d’une supernova ou d’éjecta d’étoiles géantes rouges riches en carbone, ramassés dans l’espace et finissant sous forme de particules de taille micrométrique dans les météorites. De la poussière d’étoile en effet.
Nous n’avons peut-être jamais remarqué l’existence du SiC mais en 1891, l’inventeur américain Edward G Acheson essayait de trouver un moyen de produire des diamants artificiels, en chauffant de l’argile (silicate d’aluminium) et du carbone. Il a remarqué des cristaux hexagonaux brillants attachés à la lampe à arc en carbone utilisée pour le chauffage et a appelé le composé carborundum, pensant qu’il s’agissait d’une forme d’alumine cristallisée comme le corindon. Il aurait pu penser qu’il avait frappé au second degré, car les rubis et les saphirs sont des types de corindon, mais il a réalisé qu’il avait quelque chose de nouveau, un composé presque aussi dur que le diamant qui pourrait être fabriqué sous forme de copeaux ou de poudre à l’échelle industrielle avec une application comme abrasif.
Les LED en silicium sont arrivées avant les transistors
Au début du 20e siècle, les expérimentateurs découvraient que les cristaux de diverses substances, comme le germanium, pouvaient donner un « passage asymétrique du courant » ou une rectification comme nous la connaîtrons, ce qui a trouvé une utilisation dans les radios « à cristaux ». Lorsque le carbure de silicium est essayé, un phénomène étrange se produit : le cristal brille en jaune, parfois en vert, en orange ou même en bleu. La première diode électroluminescente avait été découverte, quarante ans avant le transistor.
En tant que diode électroluminescente, le SiC fut rapidement supplanté par l’arséniure de gallium et le nitrure de gallium, dont l’émission était 10 à 100 fois meilleure, mais, en tant que matériau, le SiC suscitait toujours l’intérêt du monde de l’électronique ; il possède une conductivité thermique 3,5 fois meilleure que celle du silicium et peut être fortement dopé pour une conductivité élevée tout en conservant un claquage élevé du champ électrique. Sur le plan mécanique, il est très dur, inerte et possède un coefficient de dilatation thermique très faible et une résistance aux températures élevées. Le SiC ne fond même pas – il se sublime à environ 2700⁰C.
Le SiC fait du bien
Le SiC était connu comme un bon candidat pour un dispositif semi-conducteur très tôt, alors qu’est-ce qui l’a retenu et a laissé le silicium devenir la norme ? Le principal problème était l’élimination des défauts dans les cristaux de SiC, la liste est longue : dislocations de bord, dislocations de vis de différents types, défauts triangulaires et dislocations du plan basal. L’effet du cristal imparfait a été une très mauvaise performance de blocage inverse, rendant les pièces essentiellement inutilisables sur le plan électrique. Il y avait également des problèmes d’interface entre le SiC et le dioxyde de silicium (SiO2) pour fabriquer les types de dispositifs MOSFET et IGBT populaires. Le développement continu, cependant, a amélioré la qualité de sorte que les plaquettes de 6 pouces peuvent donner un rendement acceptable et une percée appelée nitruration ou recuit dans le dioxyde d’azote ou l’oxyde d’azote permet de faire croître des films de SiO2 sur le SiC de manière fiable.
Des roches dans l’espace aux roches sur votre doigt
Le SiC a évolué d’un abrasif sur votre meule à une curiosité électrique incandescente à la technologie des semi-conducteurs permettant des véhicules électriques à plus grande autonomie et des onduleurs dans l’énergie solaire qui sauve la planète. Oh, et au fait, le rêve d’Acheson a été aussi bien réalisé – les pierres précieuses SiC ou Moissanite sont à peine distinguables des diamants purs.
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By Anup Bhalla, VP Engineering at UnitedSiC (www.unitedsic.com)