Le carbure de silicium cohérent permet une électronique de puissance compacte et robuste

Les activités de Coherent dans le domaine du carbure de silicium ont bénéficié d'une aide à l'investissement de la part de DENSO et de Mitsubishi Electric, ce qui permet à Coherent, basée à Pittsburgh, de se concentrer sur la fabrication de substrats et d'epi-wafer pour la production de dispositifs de puissance à large bande passante.

Les défauts de chrome dans le SiC peuvent former un état fondamental tri-asymétrique ordonné à deux orbitales triplet et un état excité doublet à un singlet avec de longs temps T1, ce qui permet une initialisation de spin de haute fidélité.

Substrats

Le carbure de silicium (SiC) présente une bande interdite extrêmement large qui permet d'obtenir un champ électrique de rupture plus élevé et une conductivité thermique supérieure pour des dispositifs compacts et robustes. Les fabricants peuvent produire plusieurs dispositifs par plaquette afin de minimiser les coûts et la consommation d'énergie. Les semi-conducteurs de puissance à base de carbure de silicium jouent un rôle essentiel dans la conversion de l'énergie pour les véhicules électriques et hybrides, ainsi que dans les applications d'infrastructure énergétique et les chargeurs de véhicules électriques de grande puissance.

DENSO est un fournisseur établi des fabricants d'automobiles et d'équipements électriques, qui vante depuis longtemps les avantages des substrats SiC en tant qu'élément crucial pour la création de sociétés à zéro carbone grâce à l'adoption généralisée de véhicules électriques à batterie - un effort soutenu par l'approvisionnement régulier de Coherent en substrats SiC et en épi-wafers.

L'objectif de Coherent de fournir à ses clients des solutions SiC de qualité supérieure s'est traduit par le lancement d'une activité de fabrication d'épi-wafers SiC de 200 mm. Les livraisons de substrats d'une épaisseur de 350 et 500 microns et d'épi-wafers fabriqués à l'aide de sa capacité de fabrication de SiC entièrement intégrée verticalement ont déjà commencé, avec des normes d'uniformité d'épaisseur et de dopage avancées qui définissent les normes de l'industrie pour les semi-conducteurs de puissance SiC de qualité supérieure.

Epi-Wafers

Les plaquettes épitaxiées constituées de carbure de silicium cohérent sont fabriquées par photolithographie, implantation ionique et diffusion thermique. La tranche de poignée et la tranche active sont reliées par une couche d'oxyde pour être utilisées dans la fabrication de dispositifs semi-conducteurs, tandis que la tranche épitaxiale elle-même est découpée en différentes formes et tailles à l'aide de procédés de gravure chimique, de meulage, de polissage et de découpage en tranches.

Les plaquettes épitaxiales cohérentes permettent une mise sur le marché rapide, des coûts réduits et des performances supérieures à celles de la concurrence. Elles sont utilisées pour fabriquer divers dispositifs semi-conducteurs tels que des amplificateurs de puissance RF, des MOSFET, des IGBT et des HEMT GaN-sur-SiC.

Les plaquettes épitaxiées permettent aux fabricants de puces d'augmenter la surface utilisable d'environ 1,8 fois, ce qui contribue à améliorer la productivité et à réduire les coûts d'exploitation, tout en se développant sur des plaquettes plus grandes, conformément aux tendances de l'industrie qui se concentrent sur l'augmentation des rendements et de la rentabilité. La demande de secteurs critiques tels que les véhicules électriques, l'infrastructure énergétique et les chargeurs de VE à haute puissance nécessite cette expansion vers des plaquettes plus grandes.

La décision de Coherent d'augmenter sa production d'épi-wafers SiC de 200 mm arrive à un moment crucial. Étant donné que l'électronique de puissance mondiale basée sur le SiC devrait connaître une expansion rapide en raison des initiatives d'atténuation du changement climatique et de l'adoption croissante des véhicules électriques, un approvisionnement fiable en substrats SiC et en épi-wafers deviendra de plus en plus essentiel pour une expansion soutenue du marché.

Dispositifs

Les composants électroniques de puissance fabriqués à partir de SiC offrent des performances inégalées par rapport aux dispositifs fabriqués à partir de silicium ordinaire (Si). Leur champ électrique de rupture plus élevé, leur bande interdite plus large et leur conductivité thermique supérieure permettent d'obtenir des dispositifs compacts et à haut rendement avec une perte de puissance réduite et une plus grande autonomie dans les véhicules électriques (EV).

Face à l'augmentation de la demande de produits et de dispositifs SiC, de nombreux fabricants de ces matériaux et dispositifs ont annoncé d'importants plans d'expansion. Wolfspeed a récemment déclaré avoir construit la plus grande usine de SiC au monde ; Infineon a récemment dévoilé des plans pour une nouvelle usine qui produira des puces SiC spécialement conçues pour l'utilisation dans l'automobile.

Coherent a récemment fait la une des journaux pour avoir obtenu un investissement de $1 milliard de la part de Denso et de Mitsubishi Electric afin d'aider à la production de substrats SiC et d'épi-wafers. Dans le cadre de cette transaction, chaque entreprise japonaise recevra une participation minoritaire de 12,5% dans Coherent, ainsi que des fournitures à long terme de substrats SiC de 6 et 8 pouces et de plaques épi-wafers de Coherent.

Coherent a commencé à expédier des substrats et des plaquettes épi jusqu'à 200 mm. Les lignes de traitement de ce diamètre supérieur sont déjà en ligne et les outils ont commencé les processus de qualification, ce qui rend ces plaquettes plus performantes adaptées à la fabrication de MOSFET et d'IGBT en SiC pour l'électronique de puissance à haute température, comme ceux que l'on trouve dans les chargeurs de véhicules électriques, ainsi que d'amplificateurs de puissance en GaN-sur-SiC. En outre, ces substrats semi-isolants aident les fabricants à accélérer la mise sur le marché tout en réduisant les coûts en simplifiant la conception des dispositifs et en accélérant l'intégration dans les produits finaux.

Applications

Les semi-conducteurs en carbure de silicium peuvent résister à des températures plus élevées que les puces en silicium (SI), tout en offrant un rendement énergétique nettement supérieur. Cela signifie qu'ils peuvent transmettre et convertir l'énergie plus efficacement sans la perdre sous forme de chaleur, réduisant ainsi les besoins de refroidissement pour l'électronique de puissance tout en créant des dispositifs plus petits qui économisent de l'espace, du poids et des coûts.

Cette augmentation de l'efficacité est rendue possible par les plaquettes de 200 mm. Leur taille plus importante offre aux fabricants de dispositifs une surface utilisable multipliée par 1,8, ce qui permet de produire plus de dispositifs de puissance SiC, plus rapidement et plus efficacement, et de répondre ainsi à la demande croissante d'électronique de puissance SiC de haute qualité dans des secteurs critiques tels que les véhicules électriques, les infrastructures énergétiques et les chargeurs de VE à haute puissance.

DENSO et Mitsubishi Electric ont investi un total combiné de 1,4 milliard de dollars dans l'entreprise de semi-conducteurs SiC de Coherent, désormais connue sous le nom de Silicon Carbide LLC. Chaque société a investi 1,4 milliard de dollars pour une participation minoritaire de 12,5 %. En outre, des accords de fourniture à long terme ont été conclus dans des conditions de concurrence normale pour répondre à la demande de substrats de 150 mm et de plaquettes épitaxiales de 200 mm.

Sohail Khan, vice-président exécutif de la division Wide-Bandgap Electronics de Coherent, estime que le fait d'investir dans sa propre filiale permettra à son entreprise de maximiser les enseignements tirés d'une collaboration étroite avec les clients, depuis la conception des dispositifs ou des modules jusqu'au déploiement et à la prestation de services. M. Khan est convaincu que cela garantira aux clients des produits et des services de qualité supérieure.