Avantages du carbure de silicium

Le carbure de silicium (SiC) est une céramique extrêmement dure et dense qui présente les propriétés d'un semi-conducteur à large bande interdite, notamment une excellente résistance chimique, un faible coefficient de dilatation thermique, ainsi qu'une résistance mécanique et une rigidité exceptionnelles.

Le SiC est de plus en plus utilisé dans les dispositifs de puissance afin d'augmenter les tensions de tenue et de réduire la résistance à la conduction par rapport aux dispositifs traditionnels en silicium. Le SiC présente une intensité de champ électrique de claquage 10 fois supérieure à celle du silicium.

Propriétés physiques

Le silicium est l’un des éléments les plus répandus dans la nature ; on le retrouve dans les puces informatiques, sur les plages de sable blanc et dans divers objets insolites tels que les coupes menstruelles et les implants mammaires. La silice – qui constitue 25% de la croûte terrestre – est composée de silicium ; bien qu'elle ne soit techniquement considérée ni comme un métal ni comme un non-métal, elle conduit bien l'électricité et ses propriétés s'améliorent à mesure que la température augmente.

Le carbure de silicium est un matériau idéal pour les applications nécessitant des températures élevées, telles que la production chimique et la fabrication du papier, les technologies énergétiques et les composants de réseaux de canalisations. Il est connu pour résister à des températures pouvant atteindre 1 600 °C sans perdre ni sa dureté ni sa résistance.

Le carbure de silicium (SiC), sous ses trois formes (amorphe, polycristalline et monocristalline), offre de nombreuses applications. Parmi les trois formes solides dont nous disposons aujourd'hui, le SiC monocristallin présente des propriétés physiques supérieures à celles de ses homologues et devrait donc être privilégié pour la plupart des utilisations industrielles.

Le SiC est un matériau extrêmement résistant, composé d’atomes de carbone et de silicium étroitement liés entre eux au sein de tétraèdres formant un réseau cristallin, ce qui en fait un matériau extrêmement résistant doté d’un point de fusion élevé, surpassé uniquement par celui du carbure de bore. Le SiC présente également une bande interdite exceptionnellement large et un champ électrique de claquage extrêmement élevé, ce qui le rend adapté à de nombreuses applications électroniques : ses propriétés supérieures permettent aux transistors en SiC d'atteindre une résistance à l'état “ passant ” plus faible tout en conservant leurs seuils de tension de claquage.

Propriétés électriques

Le silicium est le matériau semi-conducteur dominant, mais ses limites sont désormais évidentes dans des applications telles que l’électronique de puissance pour les véhicules électriques et les instruments embarqués à bord des rovers spatiaux et des sondes envoyées explorer notre planète. Les propriétés matérielles supérieures du carbure de silicium – notamment une bande interdite plus large, un champ électrique de claquage exceptionnellement élevé, une conductivité thermique et une mobilité électronique supérieures – sont de plus en plus mises en évidence.

Les composants en carbure de silicium sont capables de supporter une tension de claquage bien supérieure à celle de leurs équivalents en silicium, ce qui permet de concevoir des transistors plus petits, dotés d'une tolérance accrue à la tension de claquage, tout en conservant une résistance à l'état passant très faible par unité de surface.

Lors de sa fabrication, le SiC poreux est soumis à diverses conditions de composition et de traitement ; sa porosité augmente la résistance en réduisant la section transversale disponible pour la conduction et en détournant les porteurs de charge.

Le SiC poreux fritté peut être facilement adapté en modifiant sa composition chimique, sa température de frittage, sa porosité, la taille et la morphologie de ses pores, ainsi que ses caractéristiques électriques. Le diamètre, la morphologie et la forme des pores déterminent la manière dont les impuretés se répartissent dans sa phase conductrice, ce qui influe sur les propriétés électriques telles que la durée de vie des trous (tp) et la longueur de diffusion (Lp) du SiC poreux.

Propriétés thermiques

Le SiC présente des propriétés physiques, thermiques et chimiques impressionnantes. Sa capacité à supporter des températures extrêmement élevées tout en résistant aux chocs chimiques en fait un excellent choix de matériau pour les applications soumises à des conditions rigoureuses.

Le carbure de silicium se cristallise en une structure compacte constituée d’atomes de carbone étroitement agencés, liés de manière covalente par leurs paires d’électrons partagées au sein de deux tétraèdres de coordination primaires ; quatre atomes de silicium et quatre atomes de carbone partageant leurs paires d’électrons par le biais d’orbitales hybrides sp³ créent deux structures tétraédriques au sein desquelles quatre atomes de silicium et quatre atomes de carbone partagent des paires d’électrons, conférant ainsi à ce matériau dur et robuste sa configuration structurelle caractéristique. Cette disposition unique confère au carbure de silicium sa remarquable dureté et sa grande résistance.

Les cristaux de SiC cristallin présentent également une excellente tolérance au désalignement réticulaire et une excellente conductivité thermique, alliant ainsi une grande tolérance au désalignement réticulaire à une conductivité thermique exceptionnelle. Leur conductivité thermique K à température ambiante se situe entre celle du diamant pur et celle du cuivre, et augmente à mesure que le taux de dopage N augmente.

Le SiC présente également des propriétés élastiques remarquables, avec un module d'Young de 131 GPa, comparable à celui de matériaux “ durs ” tels que le diamant (1 000 GPa), les aciers “ durs ” (200 GPa) et les céramiques – mais surpasse de loin les matériaux tendres comme le polyéthylène et le polypropylène.

Propriétés chimiques

Le silicium est un élément métallique cassant dont l'aspect est similaire à celui du fer ; cependant, contrairement au fer, son point de fusion est bien plus bas et il peut réagir avec l'oxygène, le phosphore, l'azote et de nombreux autres éléments lorsqu'il est à l'état fondu. Le silicium peut également être fortement dopé pour produire une variante de type n ou de type p de ce matériau.

La structure atomique du carbure de silicium s'apparente à celle de cristaux à empilement serré. Ce matériau contient deux tétraèdres de coordination primaires, composés chacun de quatre atomes de silicium et de quatre atomes de carbone liés entre eux par des liaisons covalentes et reliés entre eux au niveau de leurs sommets pour former des structures de polytypes – créant ainsi deux tétraèdres de coordination primaires qui forment des réseaux hexagonaux à empilement serré appelés « polytypes ».

Le carbure de silicium se présente sous divers polytypes caractérisés par des structures cristallines hexagonales, cubiques, rhomboédriques ou tétragonales. Les formes non cubiques, telles que le 4H-SiC et le 6H-SiC, appartiennent à ce qu'on appelle la famille a-SiC ; les variétés cubiques comprennent les polytypes 10R-SiC, 12C-SiC, 14H-SiC et 15R-SiC.

Le silicium élémentaire est insoluble tant dans l'eau que dans l'alcool, mais il peut se dissoudre à des concentrations élevées dans les acides organiques et les alcalis. C'est un réducteur puissant qui, à l'état fondu, forme des composés avec de nombreux autres éléments et métaux (notamment le chrome, le tungstène et le molybdène). De plus, le silicium agit comme un oxydant faible : il dégage une fumée toxique lorsqu'il brûle à l'air libre, et réagit avec l'eau pour former du siliciure de sodium, un composé explosif et inflammable lorsqu'il est mouillé.