Polytypes SiC 4H et 6H pour l'électronique de puissance et les environnements extrêmes

La sélection d'un polytype de SiC optimal nécessite la prise en compte de ses performances électriques, thermiques et mécaniques en fonction de l'application visée. Les 4H et 6H jouent un rôle essentiel dans les applications d'électronique de puissance et les environnements difficiles.

Les impuretés provoquent généralement une expansion du réseau, à l'exception de B, N et P qui entraînent une contraction du réseau d'environ -0,51%. Les impuretés des groupes VA et VIA occupent souvent des sites Si ou des sites interstitiels pour former des niveaux d'énergie a1 profonds à moitié occupés près des CBM qui provoquent l'expansion du réseau.

Conductivité thermique élevée

La conductivité thermique élevée du 4H-SiC garantit une dissipation efficace de la chaleur, ce qui est essentiel pour maintenir les dispositifs électroniques soumis à des contraintes opérationnelles extrêmes. En outre, des fréquences de commutation plus élevées permettent de réduire considérablement les besoins en refroidissement, ce qui fait du 4H-SiC un matériau idéal pour l'électronique de haute puissance que l'on trouve dans les véhicules électriques et les convertisseurs d'énergie renouvelable.

La large bande interdite et la tension de claquage élevée du 4H-SiC lui permettent de gérer des courants importants sans augmenter la température des dispositifs, tandis que sa faible densité de défauts lui permet de supporter des niveaux de puissance plus élevés et des temps de commutation plus longs, ce qui en fait le matériau idéal pour les applications à haute performance. En outre, le 4H-SiC présente des propriétés mécaniques supérieures, notamment une résistance aux radiations et à la température, ainsi qu'une résistance thermique élevée.

Les chercheurs ont utilisé des films de 3C-SiC sur des substrats de Si et les ont intentionnellement dopés au bore (B), avec des concentrations de 1 à 2×1019 atomes cm-3 ; ces concentrations étaient beaucoup plus faibles que dans les mesures précédentes, mais la conductivité thermique mesurée reste élevée et correspond aux prédictions théoriques.

Ces résultats démontrent que la qualité et la pureté des cristaux sont essentielles pour déterminer la conductivité thermique des semi-conducteurs WBG, en particulier du 4H-SiC, la dépendance à la fréquence étant un excellent point de référence pour comprendre comment la chaleur se propage dans ces semi-conducteurs - une étape essentielle pour développer des dispositifs d'alimentation plus efficaces sur le plan énergétique pour les véhicules électriques (VE) ou d'autres applications.

Mobilité élevée des électrons

La mobilité des électrons est l'une des principales propriétés qui font du carbure de silicium (SiC) un matériau intéressant pour les dispositifs à haute performance, avec une mobilité des électrons deux fois plus élevée que celle trouvée dans le silicium dopé à l'azote. Le carbure de silicium est connu pour contenir de grandes orbitales atomiques qui limitent la mobilité des électrons et la masse effective. Pour contrer cet effet, le dopage au soufre s'est avéré très efficace pour augmenter les amplitudes orbitales par rapport aux matériaux contenant du silicium. Le professeur Ryoya Ishikawa de l'université de Tokyo a mené une nouvelle étude sur la mobilité des électrons de Hall dans le 4H-SiC dopé au soufre à différentes températures et concentrations de donneurs en utilisant des structures de barres de Hall en SiC(1120). Leurs résultats ont démontré que cette mobilité dépend fortement de la température et qu'elle est étroitement associée à l'anisotropie de la masse effective.

Cette étude a utilisé des calculs de principes premiers au niveau du mode pour prédire les propriétés de transport électronique de différentes géométries de SiC avec et sans déformation, y compris le 4H-SiC soumis à une déformation uniaxiale. Il a été constaté que la faible mobilité des trous dans le 4H-SiC, due à des masses effectives importantes dans ses bandes de trous lourdes et légères ainsi qu'à une forte diffusion interbande des électrons-phonons, était considérablement réduite, bien qu'en incluant des corrections quadrupolaires à son tenseur d'interaction électron-phonon, cet effet puisse être grandement amélioré.

L'une des méthodes permettant d'accroître la mobilité des trous du SiC 4H consiste à utiliser sa face (1120), qui contient moins de charges négatives que la face (0001) du SiC. Des études ont montré que cette approche permettait d'obtenir une mobilité du canal d'inversion 17 fois supérieure dans les MOSFET en SiC par rapport aux SiC dopés à face (0001).

Densité de puissance élevée

Les dispositifs en carbure de silicium 4H offrent une densité de puissance nettement supérieure à celle de leurs homologues en silicium, grâce à leur large bande interdite, à leur vitesse de dérive des électrons à saturation élevée et à leur champ de claquage électrique important. En outre, ils peuvent supporter des températures et des tensions plus élevées, ce qui améliore les performances et la fiabilité.

Les MOSFETs 4H-SiC présentent de faibles pertes à l'état passant qui les rendent idéaux pour les applications à haute fréquence, ce qui en fait une alternative utile aux semi-conducteurs de puissance en silicium et permet des vitesses de commutation plus rapides que leurs homologues en silicium.

Il est de la plus haute importance de choisir le polytype de SiC approprié pour une application donnée. Le 4H-SiC est souvent choisi lorsque la densité de puissance et l'efficacité thermique sont primordiales, tandis que le 6H-SiC excelle lorsque l'émission de lumière et la résilience mécanique sont des considérations centrales.

Pour maximiser les performances des dispositifs électroniques de puissance, il est essentiel de réduire leur résistance à l'état passant. Cela peut être réalisé en diminuant l'épaisseur de la couche n et en augmentant la densité de dopage - cela permettra de faire circuler plus de courant et donc de diminuer la résistance à l'état passant tout en augmentant le seuil de tension. Toutefois, pour atteindre une densité de courant aussi élevée, il faudra poursuivre les efforts de recherche et de développement.

Haute résistance chimique

Le SiC est l'un des matériaux les plus chimiquement résistants sur Terre, capable de supporter des températures élevées tout en conservant sa solidité et sa dureté dans des conditions extrêmes. En outre, le SiC peut résister aux chocs thermiques ainsi qu'aux acides, aux alcalis et aux gaz réactifs. Sa forte liaison entre le silicium et le carbone lui confère une dureté exceptionnelle, une conductivité thermique, une grande résistance à la traction, une stabilité chimique ainsi qu'une résistance à la corrosion supérieure à celle d'autres matériaux similaires.

Le 3C-SiC, le 4H-SiC et le 6H-SiC possèdent tous des propriétés mécaniques et chimiques similaires ; ils ne diffèrent qu'en termes de séquence d'empilement de leurs bicouches. Le 4H-SiC présente des intensités de champ électrique critique, des densités d'énergie de bande interdite et des vitesses d'électrons de saturation plus élevées que ses homologues (3C-SiC et 6H-SiC).

La large bande interdite du 4H-SiC lui permet de fonctionner à des températures élevées avec une résistance spécifique à l'enclenchement relativement faible, ce qui en fait une solution efficace pour les capteurs de pression piézorésistifs. En outre, une méthode rigoureuse a été mise au point pour analyser sa réponse aux variations de température.