Le carbure de silicium, également connu sous le nom de SiC, est un matériau de qualité semiconducteur de base composé de silicium pur et de carbone pur. Vous pouvez doper le SiC avec de l’azote ou du phosphore pour former un semi-conducteur de type n ou le doper avec du béryllium, du bore, de l’aluminium ou du gallium pour former un semi-conducteur de type p. Bien qu’il existe de nombreuses variétés et puretés de carbure de silicium, le carbure de silicium de qualité semi-conducteur n’a commencé à être utilisé qu’au cours des dernières décennies.
Comment est fabriqué le carbure de silicium ?
La méthode de fabrication la plus simple du carbure de silicium consiste à faire fondre du sable siliceux et du carbone, tel que le charbon, à des températures élevées (jusqu’à 2 500 degrés Celsius). Les versions plus sombres et plus courantes du carbure de silicium contiennent souvent des impuretés de fer et de carbone, mais les cristaux de SiC pur sont incolores et se forment lorsque le carbure de silicium subit une sublimation à 2 700 degrés Celsius. Une fois chauffés, ces cristaux se déposent sur du graphite à une température plus froide, selon un processus connu sous le nom de méthode Lely.
- Méthode Lely : au cours de ce processus, un creuset en granit est porté à une température très élevée, généralement par induction, pour sublimer la poudre de carbure de silicium. Un bâtonnet de graphite à plus basse température est suspendu dans le mélange gazeux, ce qui permet au carbure de silicium pur de se déposer et de former des cristaux.
- Dépôt chimique en phase vapeur : les fabricants peuvent également produire du SiC cubique par dépôt chimique en phase vapeur, un procédé couramment utilisé dans les processus de synthèse à base de carbone et dans l’industrie des semi-conducteurs. Dans cette méthode, un mélange chimique spécialisé de gaz pénètre dans un environnement sous vide et se combine avant d’être déposé sur un substrat.
Les deux méthodes de production de plaquettes de carbure de silicium nécessitent de gigantesques quantités d’énergie, d’équipements et de connaissances pour que le processus réussisse.
À quoi sert le carbure de silicium ? Les avantages du SiC
Historiquement, les fabricants utilisent le carbure de silicium dans des environnements à haute température pour des dispositifs tels que les roulements, les composants de machines de chauffage, les freins de voiture et même les outils d’aiguisage des couteaux. Dans les applications de l’électronique et des semi-conducteurs, les principaux avantages du SiC sont les suivants :
- Conductivité thermique élevée de 120 à 270 W/mK
- Faible coefficient de dilatation thermique de 4,0 x 10^-6/°C
- Densité de courant maximale élevée
Ces trois caractéristiques combinées confèrent au SiC une excellente conductivité électrique, surtout si on la compare à celle du silicium, le cousin le plus populaire du SiC. Les caractéristiques du SiC en font un matériau très avantageux pour les applications de haute puissance qui nécessitent un courant élevé, des températures élevées et une forte conductivité thermique.
Ces dernières années, le SiC est devenu un acteur clé de l’industrie des semi-conducteurs, alimentant les MOSFET, les diodes Schottky et les modules de puissance utilisés dans des applications à haute puissance et à haut rendement. Bien que plus coûteux que les MOSFET en silicium, qui sont généralement limités à des tensions de claquage de 900 V, le SiC permet d’atteindre des seuils de tension de près de 10 kV.
Le SiC présente également des pertes de commutation très faibles et peut supporter des fréquences de fonctionnement élevées, ce qui lui permet d’atteindre des rendements actuellement imbattables, en particulier dans les applications fonctionnant à plus de 600 volts. Avec une mise en œuvre appropriée, les dispositifs SiC peuvent réduire les pertes des convertisseurs et des onduleurs de près de 50 %, la taille de 300 % et le coût global du système de 20 %. Cette réduction de la taille globale du système confère au SiC la capacité d’être extrêmement utile dans les applications sensibles au poids et à l’espace.
Applications du carbure de silicium
De nombreux fabricants utilisent le SiC dans des applications telles que les véhicules électriques, les stations de recharge pour véhicules électriques, les systèmes d’énergie solaire et les systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation. Ces systèmes axés sur l’efficacité entraînent tous des tensions et des températures élevées. Nous assistons à une forte poussée mondiale en faveur de l’utilisation du SiC par rapport à d’autres matériaux, dans le but de réduire les émissions de carbone causées par l’inefficacité de l’alimentation à des tensions plus élevées. Bien que les technologies de pointe telles que les véhicules électriques et l’énergie solaire soient les premières à utiliser le SiC, nous prévoyons que d’autres industries traditionnelles leur emboîteront bientôt le pas.
Le SiC est devenu populaire dans le secteur automobile en raison de la demande de l’industrie pour une qualité, une fiabilité et une efficacité élevées. Le SiC peut répondre avec brio aux demandes de haute tension. Le carbure de silicium a le potentiel d’augmenter les distances de conduite des véhicules électriques en augmentant l’efficacité globale du système, en particulier dans le système d’onduleur, ce qui augmente la conservation globale de l’énergie du véhicule tout en réduisant la taille et le poids des systèmes de gestion de la batterie qui en résultent.
Goldman Sachs prévoit même que l’utilisation du carbure de silicium dans les véhicules électriques peut réduire le coût de fabrication et le coût de possession des véhicules électriques de près de 2 000 dollars US par véhicule. Le SiC optimise également les processus de charge rapide des véhicules électriques, qui fonctionnent généralement dans la gamme des kV, où il peut réduire les pertes globales du système de près de 30 %, augmenter la densité de puissance de 30 % et réduire le nombre de composants de 30 %. Cette efficacité permettra aux stations de recharge rapide d’être plus petites, plus rapides et plus rentables.
Dans l’industrie solaire, l’optimisation des onduleurs à base de SiC joue également un rôle important en termes d’efficacité et de réduction des coûts. L’utilisation du carbure de silicium dans les onduleurs solaires augmente la fréquence de commutation du système de deux à trois fois par rapport au silicium standard. Cette augmentation de la fréquence de commutation permet de réduire la magnétisation du circuit, ce qui se traduit par des économies considérables en termes d’espace et de coût. Ainsi, les onduleurs à base de carbure de silicium peuvent avoir une taille et un poids inférieurs de près de moitié à ceux des onduleurs à base de silicium. Un autre facteur qui encourage les fabricants et les ingénieurs à utiliser le carbure de silicium plutôt que d’autres matériaux, tels que le nitrure de gallium, est sa durabilité et sa fiabilité. La fiabilité du carbure de silicium permet aux systèmes basés sur le solaire d’atteindre la longévité stable dont ils ont besoin pour fonctionner en continu pendant plus d’une décennie.
En savoir plus sur les différences entre GaN et SiC.
Sauver le monde avec le carbure de silicium
Plusieurs leaders clés dans le domaine du carbure de silicium fournissent des ressources abondantes et des produits centrés sur le SiC. Wolfspeed propose une variété de produits en carbure de silicium, tels que :
Wolfspeed est également le plus grand fabricant de plaquettes de SiC de base, ce qui en fait un expert dans tous les domaines du SiC. Wolfspeed se consacre à l’élargissement de la faisabilité et de l’adoption du carbure de silicium. Pour en savoir plus, consultez son offre complète de solutions en carbure de silicium.
D’autres entreprises de semi-conducteurs, telles que Infineon Technologies, onsemi, ST Microelectronics, disposent également d’un large portefeuille de produits en carbure de silicium, notamment des MOSFET de puissance et des modules de puissance. Ces entreprises réalisent également leurs propres investissements pour augmenter la capacité de production de SiC.
D’autres composants doivent également être pris en compte lors de la conception avec SiC. Il s’agit notamment des pilotes de grille d’Analog Devices, d’Infineon Technologies, d’Onsemi et de Skyworks. En outre, le système nécessitera des éléments passifs et des interconnexions tels que des magnétiques de Bourns, Inc., des condensateurs de Yageo et des connecteurs de Molex. Arrow Electronics peut vous aider à trouver tous ces composants auprès des principaux fournisseurs afin de concevoir avec succès une solution utilisant le SiC.
