Qu'est-ce qui rend le carbure de silicium transparent ?

Le carbure de silicium est un matériau synthétique extrêmement dur, couramment utilisé dans les abrasifs et les applications métallurgiques. Avec un indice de dureté sur l'échelle de Mohs identique à celui du diamant, il figure parmi les matériaux les plus durs qui soient.

Le SiC microcristallin (mc) transparent et conducteur constitue un excellent matériau pour les couches de fenêtre des cellules solaires à couche mince, offrant une transparence supérieure à celle des matériaux à base d'oxyde conducteur transparent (TCO) classiques.

Transparence optique

Les matériaux optiquement transparents ont la propriété de laisser passer librement la lumière. Cette propriété est essentielle dans de nombreuses applications, en particulier pour les matériaux diélectriques tels que les isolants, qui gèrent les champs électriques en absorbant ou en réfléchissant l'énergie incidente. La transparence d'un film dépend de son épaisseur, de son indice de réfraction et de la structure du matériau : les matériaux à faible indice de réfraction ont tendance à produire des films plus fins et plus transparents ; à l'inverse, un indice de réfraction plus élevé donne des films plus épais qui deviennent plus opaques avec le temps.

Le carbure de silicium est transparent, ce qui en fait un excellent choix de matériau pour les applications diélectriques. De plus, sa nature cristalline contribue à améliorer la transparence en limitant la diffusion de la lumière causée par les défauts atomiques, ce qui le rend adapté aux composants optiques et aux écrans qui exigent un haut niveau de performance.

Les contacts de passivation en carbure de silicium (TPC) peuvent servir de contacts avant dans les cellules solaires en silicium cristallin à la place du silicium amorphe ; leur TPC se compose d'une couche tunnel en oxyde de silicium et d'au moins deux couches non conductrices de carbure de silicium :H(n) qui peuvent être déposées à différentes températures en fonction de la conductivité, des exigences de passivation de surface, des exigences de transparence optique, etc.

En tant que fenêtres transparentes aux électrons pour la microscopie électronique à transmission (MET), le nitrure de silicium amorphe et à faible contrainte présente plusieurs avantages distincts par rapport à ses équivalents conventionnels ; plus précisément, les fenêtres en a-SiCx offrent des images d'une grande transparence avec une résolution pouvant atteindre 0,12 nm, tout en présentant une résistance supérieure aux dommages causés par le faisceau d'électrons.

Conductivité thermique

La conductivité thermique du carbure de silicium peut être mesurée à partir de la largeur de sa bande interdite, qui détermine la quantité d'énergie nécessaire pour le traverser. Cette propriété est particulièrement importante dans les matériaux transparents qui laissent passer la lumière visible sans obstacle. Plus la bande interdite s'élargit, plus il faut d'énergie pour la traverser.

Grâce à sa large bande interdite, le SiC constitue une excellente couche de fenêtre pour les cellules solaires, pouvant remplacer les matériaux traditionnels à base d’oxyde d’étain-cuivre (TCO). Le SiC est également couramment utilisé dans les appareils électroniques nécessitant des températures ou une puissance élevées, notamment pour la fabrication de semi-conducteurs tels que les LED, car il résiste facilement aux hautes tensions sans se briser ; sa résistance chimique s'avère également précieuse dans les applications médicales.

Le dépôt chimique en phase vapeur à basse pression a été utilisé pour déposer des couches de carbure de silicium amorphe non stœchiométrique, caractérisées par des mesures d'ellipsométrie, de photoconductivité en régime quasi-stationnaire, de profilage de surface et de microscopie électronique à transmission (MET). Les résultats montrent des couches très uniformes et continues présentant une contrainte intrinsèque de traction et des propriétés d'inertie chimique, ainsi qu'une résistance à la gravure avec une faible rugosité. De plus, un profil de raie EDX a montré que ces couches d'a-SiCx étaient composées de silicium (Si), de carbone (C), d'oxygène (O) et de faibles quantités de chlore (Cl). Elles présentent en outre une dépendance de la bande interdite par rapport à la longueur d'onde, à 2,3 eV.

Conductivité électrique

Des mesures de conductivité électrique ont été effectuées sur du nc-SiC:H déposé à différentes températures de filament ; il a été constaté que cette conductivité était hautement modulable sur une plage de plus de 10 ordres de grandeur, principalement en fonction de la température du filament et des taux de dilution de l'hydrogène (avec des variations dépassant neuf ordres de grandeur en quelques secondes). D'autres paramètres de dépôt, tels que la distance filament-substrat, le débit d'azote et la pression de dépôt, n'ont eu qu'un impact mineur (un ordre de grandeur) sur la conductivité au repos au cours de cette période d'étude.

La couche de nc-SiC:H présente un excellent alignement énergétique entre le bord de sa bande de conduction et le niveau de Fermi du substrat en c-Si, créant ainsi une barrière de transport électronique effective inférieure à 100 meV. Cela permet d'atteindre facilement des densités de courant élevées à l'interface oxyde de tunnel/cet le substrat c-Si, tout en offrant une sélectivité élevée des porteurs sans avoir recours à des couches d'a-Si/poly-Si dopées comme couches de passivation.

Ces résultats démontrent le potentiel du nc-SiC:H en tant que couche de fenêtre transparente aux électrons adaptée aux cellules solaires en SiC. Sa faible absorptance optique dans la gamme de longueurs d'onde concernée permet une collecte efficace de la lumière à partir des contacts avant à jonction tunnel de type n en SiC/a-Si des cellules solaires, sans compromettre la conductivité nécessaire à la passivation ; ce qui avait limité les tentatives précédentes de fabrication de cellules solaires en SiC efficaces utilisant de l'a-Si ou du poly-Si intrinsèque de type n comme couches de passivation à oxyde tunnel12-13.

Résistance chimique

Le carbure de silicium présente une résistance chimique exceptionnelle ; il supporte même des températures élevées sans se dégrader ni se fissurer sous l'effet de la pression. De plus, sa résistance aux acides, aux alcalis et à d'autres produits chimiques en fait un matériau idéal pour les applications industrielles.

Le carbure de silicium peut également être utilisé comme matériau de renforcement dans les composites afin d'améliorer leurs propriétés mécaniques, notamment la résistance, le module d'élasticité et la conductivité thermique. Ajouté aux plastiques, il augmente la résistance, le module d'élasticité et la conductivité thermique tout en améliorant la résistance à l'usure – par exemple, l'ajout de whiskers de carbure de silicium 15% double la résistance à la flexion du PEEK à température ambiante ! Le carbure de silicium peut également être ajouté aux céramiques pour les renforcer et augmenter leur dureté, leur ductilité et leur résistance à l'usure.

Le carbure de silicium amorphe recristallisé (a-SiC) est souvent utilisé pour la fabrication de mobilier de four à faible consommation d'énergie en raison de sa résistance supérieure à la corrosion par l'acier en fusion, les scories de coke et le coke, ainsi que de sa résistance aux chocs thermiques ; la production de briques de four dans l'industrie céramique ; il convient également pour le revêtement de fonderies, de la voûte des hauts fourneaux et des tours à coke, et est largement utilisé pour la fabrication d'outils réfractaires, de matériaux réfractaires de haute qualité, de céramiques fines, voire d'outils et d'abrasifs.

Le personnel utilisant ce produit doit prendre des mesures pour éviter d'inhaler de la poussière. L'inhalation excessive de poussière peut provoquer des maladies pulmonaires ; il est donc impératif que les travailleurs utilisent un équipement de protection adapté et respectent scrupuleusement toutes les procédures.