Substrats en carbure de silicium pour dispositifs de puissance

Les substrats en SiC sont largement utilisés dans les dispositifs de puissance des véhicules électriques afin d'optimiser leur rendement et leur fiabilité, ce qui contribue à réduire les pertes d'énergie, à raccourcir les temps de recharge, à gagner de la place dans le véhicule et à alléger son poids. Cela permet ainsi de gagner de la place et de réduire le poids.

La microscopie optique est l'une des techniques d'inspection les plus couramment utilisées pour les substrats en carbure de silicium. Elle permet d'obtenir des images de leur surface en modes « champ sombre » et « champ clair », qui révèlent des informations spécifiques sur les défauts.

Fabrication

La fabrication de substrats en carbure de silicium est un processus complexe et exigeant qui requiert expertise et précision. Les fabricants doivent réguler avec soin les gradients de température et les débits de gaz afin d'éviter toute contamination ; ils doivent également recourir à des techniques de traitement post-croissance, telles que le découpage, le meulage, le polissage et la préparation de surface, afin de garantir la qualité des plaquettes et, par là même, les performances des dispositifs finaux.

Les substrats en carbure de silicium sont des matériaux polyvalents et hautement performants utilisés dans diverses applications exigeantes. Ils sont particulièrement utiles dans les systèmes d'électronique de puissance grâce à leur capacité à résister à des températures et des tensions élevées, tout en présentant une conductivité thermique et une dureté exceptionnelles, ce qui les rend adaptés à toute une gamme d'utilisations exigeantes, allant de l'automobile aux systèmes d'énergie renouvelable.

Le prix élevé du SiC a freiné son adoption à grande échelle pendant des années. Selon le cabinet d’études de marché TrendForce, les prix devraient toutefois baisser à mesure que les progrès technologiques et les économies d’échelle permettront d’augmenter la production. De plus, l’utilisation de substrats de plus grande taille permettra de réduire le coût unitaire des puces tout en aidant les fabricants à atteindre des taux d’utilisation plus élevés, ce qui se traduira par une baisse globale des coûts ; les substrats en poly-SiC joueront à cet égard un rôle particulièrement crucial, car ils offrent un rendement supérieur à celui des substrats en mono-SiC dans le cadre des efforts de réduction des coûts.

Applications

Les substrats en SiC sont désormais largement utilisés dans une grande variété d'applications. Les constructeurs de véhicules électriques (VE) s'en servent pour développer des composants de puissance plus économes en énergie, qui permettent d'augmenter l'autonomie et de réduire les temps de recharge, tandis que les entreprises spécialisées dans la conversion d'énergie les utilisent pour améliorer le rendement des systèmes d'énergie solaire et éolienne. Leur utilisation s'est développée grâce aux progrès réalisés en matière de technologies de fabrication et de propriétés des matériaux.

Le SiC est idéal pour les appareils alimentés par batterie, les véhicules électriques et les systèmes d'énergie renouvelable grâce à sa large bande interdite, qui permet un fonctionnement à des tensions plus élevées et donc des gains de rendement accrus. De plus, son excellente conductivité thermique facilite la dissipation de la chaleur, ce qui permet de concevoir des appareils compacts avec des coûts de refroidissement réduits ; tous ces facteurs font du SiC un excellent choix de matériau.

Toutefois, pour garantir des performances optimales de ces dispositifs, il est nécessaire d'utiliser des substrats de haute qualité. Les températures de fonctionnement élevées des semi-conducteurs de puissance peuvent entraîner des contraintes thermiques qui provoquent une fatigue mécanique et une défaillance prématurée des dispositifs ; ce problème peut être résolu grâce à l'utilisation de matériaux d'encapsulation avancés dotés d'interconnexions fiables.

À l'heure actuelle, le marché des substrats en SiC de 6 pouces connaît une expansion rapide grâce aux partenariats entre les fabricants de plaquettes et les entreprises issues de secteurs tels que les véhicules électriques et les énergies renouvelables. Ces partenariats stimulent l'innovation tout en favorisant l'adoption généralisée de la technologie SiC pour diverses applications. De plus, les avancées en matière de technologie de croissance cristalline et de procédés de traitement des plaquettes rendent ces substrats plus rentables, ce qui permet à un plus large éventail d'entreprises de les utiliser.

Défauts

Le carbure de silicium (SiC) est un matériau très intéressant pour les dispositifs de puissance en raison de sa résistance élevée à la rupture diélectrique et de sa large bande interdite. Malheureusement, les défauts étendus qui peuvent se former ont un impact négatif sur les performances des dispositifs ; pour atténuer ce risque, les fabricants doivent mettre en place des contrôles rigoureux au sein de leurs sites de fabrication et utiliser des outils d'inspection et de métrologie afin d'assurer le contrôle qualité des plaquettes produites.

Les techniques avancées de croissance épitaxiale révolutionnent la qualité des plaquettes de SiC. Cette approche permet un contrôle précis du profil de dopage et de l'épaisseur des couches épitaxiales de SiC, ce qui est essentiel pour obtenir les propriétés électriques souhaitées dans les plaquettes. Le dopage, qui consiste à injecter des impuretés dans les couches de SiC afin de modifier leur conductivité, peut être réalisé soit par implantation ionique, soit au cours du processus de croissance épitaxiale lui-même ; on utilise généralement des dopants à base d’azote pour obtenir une conductivité riche en électrons, ou des dopants à base d’aluminium ou de bore pour une conductivité riche en trous. Parmi les dopants courants, on trouve l’azote pour une conductivité riche en électrons, tandis que les dopants à base d’aluminium ou de bore peuvent modifier la conductivité afin de conférer aux plaquettes les propriétés électriques souhaitées.

À mesure que la qualité des plaquettes de SiC s'améliore, il devient de plus en plus crucial de comprendre les différents types de défauts cristallins qui les affectent. Les chercheurs ont eu recours à la microscopie électronique à balayage (MEB) pour localiser ces défauts. De plus, les défauts de surface ont été classés en deux groupes en fonction de la morphologie des gradins ; un traitement de gravure à l'hydroxyde de potassium fondu crée des piqûres de formes variées selon le type de défaut présent à leur emplacement.

Coût

Le coût des substrats en carbure de silicium constitue actuellement le principal obstacle pour les fabricants qui souhaitent produire des dispositifs SiC hautement performants ; toutefois, ce coût peut être réduit grâce à des procédés de fabrication qui minimisent les défauts cristallins et garantissent l'homogénéité du matériau, ce qui permet aux dispositifs SiC de rivaliser davantage avec les technologies traditionnelles telles que le silicium.

Les plaquettes et substrats en carbure de silicium connaissent une expansion rapide, parallèlement à la hausse de la demande en dispositifs de puissance SiC haute performance. Ces dispositifs sont largement utilisés dans diverses applications, telles que l'électronique automobile et les systèmes d'énergie renouvelable ; ils offrent une résistance aux hautes températures, une vitesse d'électron élevée et une excellente conductivité thermique, ainsi que des caractéristiques de commutation à faible bruit, ce qui les rend parfaits pour les applications électroniques haute performance.

Face à la demande croissante de composants en carbure de silicium, de nombreux fabricants s'orientent vers l'adoption de plaquettes de 8 pouces, ce qui constitue une étape importante dans leur développement. Cette évolution marque une étape décisive dans la production de composants en SiC et devrait permettre de réduire considérablement le coût unitaire de ces composants, les plaquettes plus grandes permettant de produire davantage de puces tout en réduisant les déchets.

Les plaquettes de 8 pouces font actuellement l'objet d'une production expérimentale et leur disponibilité est limitée ; toutefois, les prix ont commencé à baisser à mesure que les fabricants augmentent leurs capacités de production. Selon le fabricant chinois TankeBlue Semiconductor, le passage des substrats de 6 pouces à ceux de 8 pouces permet de réduire les coûts unitaires de 50% tout en améliorant les performances et la durée de vie des dispositifs.