| Réf : E1990 v1

Technologie de mise en œuvre
Matériaux semi-conducteurs à grand gap : SiC

Auteur(s) : Jean CAMASSEL, Sylvie CONTRERAS, Jean-Louis ROBERT

Date de publication : 10 août 1998

Pour explorer cet article
Télécharger l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !

Sommaire

Présentation

Auteur(s)

Lire cet article issu d'une ressource documentaire complète, actualisée et validée par des comités scientifiques.

Lire l’article

INTRODUCTION

Pendant plus d’un siècle, les utilisations industrielles du carbure de silicium (plus communément appelé carborundum) se sont limitées à l’exploitation de ses propriétés mécaniques exceptionnelles (dureté) pour la réalisation de poudres abrasives et à l’exploitation de sa résistance à la température et aux agents chimiques corrosifs pour la réalisation de céramiques de revêtement. Pendant ce temps, et en dépit de très fortes potentialités, son utilisation en tant que matériau semi-conducteur ne s’est jamais vraiment développée. La principale raison était la qualité extrêmement médiocre des matériaux obtenus, tant du point de vue structural que de celui de la pureté chimique résiduelle (< 99 %). Cette situation a perduré jusqu’au début des années 1960.

C’est, en effet, à partir du milieu des années 1950 que, sous l’impulsion des groupes militaires et spatiaux, les recherches qui visaient à la mise au point d’une future filière électronique SiC (et qui pendant longtemps avaient été tenues pour purement académiques) se sont fortement accentuées. Elles avaient clairement pour objectif de répondre à une demande stratégique de nouveaux composants, pour la réalisation desquels les filières classiques « silicium » et « arséniure de gallium » n’étaient pas utilisables. C’était (et c’est toujours) le cas dans le domaine des hautes températures ou des hautes fréquences lorsqu’il s’agit de délivrer de très fortes puissances et dans le domaine des composants destinés à fonctionner en milieu hostile (espace, environnement nucléaire, etc.).

Bien que largement initiées dans l’ancienne URSS, le leadership des recherches est vite passé aux États-Unis sous l’impulsion, en particulier, de la NASA (National Aeronautics and Space Administration) et de gros laboratoires de recherche industriels comme le Centre de Recherche Westinghouse (et maintenant de Northrop Grumman Research and Technology Center). Ces efforts ont été rapidement relayés par les laboratoires universitaires (comme l’Université de Pittsburgh, l’Université de Caroline du Nord, etc.) et, à partir des années 1990, par des sociétés privées (comme Cree Research Inc.). Fin 1997 - début 1998, le développement d’une filière « Électronique de puissance SiC » est en bonne voie. Un premier niveau de commercialisation a été atteint et on peut trouver, sur le marché des substrats, des couches épitaxiées et quelques composants élémentaires.

Pour briser ce monopole de fait américain, des efforts de recherche importants ont été consentis en Europe et au Japon. Ils ont souvent été impulsés soit par de grands groupes industriels (comme Daimler-Benz, Toyota, Nippon Steel ou Matsushita) travaillant seuls, soit par des industriels travaillant en collaboration étroite avec une (ou plusieurs) université(s). C’est le cas de ABB avec l’Université de Linköping, en Suède, ou de Siemens avec l’Université de Erlangen-Nürnberg, en Allemagne. En France, l’activité SiC a longtemps été limitée. On citera néanmoins les efforts importants faits au LETI-CEA, à Grenoble, et l’intérêt manifesté par quelques grands groupes industriels (comme Thomson-LCR, SGS-Thomson, Schneider, Schlumberger et plus récemment Sextant Avionique). Enfin, dans le domaine public, outre le soutien accordé par les organismes et ministères à diverses actions en cours, on notera que le Groupement de Recherche du CNRS « Semi-conducteurs à large bande interdite » s’est donné pour objectif de coordonner l’activité des différentes équipes universitaires ou CNRS travaillant sur ce sujet.

En pratique, des progrès importants restent à faire. Ils concernent, à la fois, l’élaboration des substrats, les contacts (surtout pour les applications haute température), la passivation (en particulier pour les applications de redressement très haute tension où il est nécessaire d’éviter la formation d’arcs électriques à l’extérieur de la jonction) et enfin, d’une façon générale, l’encapsulation (parce qu’il n’existe pas de boîtiers spécifiques adaptés aux conditions de fonctionnement visées). On sait, par contre, relativement bien contrôler la technologie des dépôts en couches minces (épitaxie) et les technologies de dopage sélectif (dopage in-situ ou dopage par implantation ionique). On peut contrôler, de façon reproductible, la concentration de porteurs dans plusieurs couches monocristallines successives et, ainsi, poursuivre le développement d’une filière autonome de réalisation de composants.

La filière SiC apparaît comme le développement naturel des filières silicium et arséniure de gallium. C’est la solution idéale pour réaliser des capteurs ou des composants appelés à fonctionner à très haute température ainsi que des composants de puissance. Les enjeux économiques sont clairement identifiés et on estime que, dans les années à venir, le carbure de silicium devrait progressivement remplacer le silicium pour de nombreux composants de puissance devant fonctionner au-delà de 1 000 V.

Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 95% à découvrir.

Pour explorer cet article
Téléchargez l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !


L'expertise technique et scientifique de référence

La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
+ de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-e1990


Cet article fait partie de l’offre

Électronique

(228 articles en ce moment)

Cette offre vous donne accès à :

Une base complète d’articles

Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

Des services

Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

Un Parcours Pratique

Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses

Doc & Quiz

Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

ABONNEZ-VOUS

Lecture en cours
Présentation

2. Technologie de mise en œuvre

2.1 Substrats

Le besoin de réaliser, de façon industrielle, des composants à base de SiC a conduit très rapidement de nombreux utilisateurs potentiels à intensifier leurs efforts pour essayer de produire (en interne) des substrats de qualité « électronique ». Dans ce cadre, le but minimal à atteindre est un diamètre de 50 mm (» 2²) et une densité moyenne de macrodéfauts (micropipes) inférieure à 0,1 par cm2.

Outre les groupes précédemment cités (par exemple, Northrop Grumman et Cree Research Inc. aux États-Unis, Toyota et Nippon Steel au Japon, Siemens en Allemagne), on trouve dans ce domaine, Epitronics aux États-Unis, Okmetic en Finlande et, plus récemment, SiCrystal en Allemagne. En fait, le plus souvent, la production n’est pas disponible. C’est le cas par exemple de Westinghouse ou Siemens où elle est totalement utilisée en interne, aucune plaquette n’étant mise sur le marché. Seul, depuis 1991, Cree Research Inc. a été en mesure de fournir commercialement des substrats. Bien que très imparfaits, ils ont permis de réaliser l’essentiel des démonstrateurs nécessaires au développement de la filière.

HAUT DE PAGE

2.1.1 Cristallogénèse

Historiquement, c’est J. A. Lely qui, en 1955, a proposé la première méthode de fabrication de monocristaux de SiC de pureté électronique. De la poudre de SiC est chauffée à » 2 300 C dans un réacteur en graphite. Elle se sublime et donne un mélange de vapeurs de Si, de C, de Si2C et SiC2. Ces vapeurs se condensent spontanément sur les parois du réacteur où elles cristallisent sous forme de cristaux de SiC (relativement purs et, essentiellement, de variété 6H).

C’est cette découverte qui a été à l’origine de l’activité de recherche intense développée en Union Soviétique à partir des années 1960. Le manque de reproductibilité du procédé, la petite taille (quelques cm2) des cristaux obtenus et l’impossibilité de contrôler efficacement le dopage résiduel (N+) ont cependant très fortement limité les possibilités d’applications.

Ce n’est qu’à partir...

Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 94% à découvrir.

Pour explorer cet article
Téléchargez l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !


L'expertise technique et scientifique de référence

La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
+ de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

Cet article fait partie de l’offre

Électronique

(228 articles en ce moment)

Cette offre vous donne accès à :

Une base complète d’articles

Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

Des services

Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

Un Parcours Pratique

Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses

Doc & Quiz

Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

ABONNEZ-VOUS

Lecture en cours
Technologie de mise en œuvre
Sommaire
Sommaire

Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 93% à découvrir.

Pour explorer cet article
Téléchargez l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !


L'expertise technique et scientifique de référence

La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
+ de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

Cet article fait partie de l’offre

Électronique

(228 articles en ce moment)

Cette offre vous donne accès à :

Une base complète d’articles

Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

Des services

Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

Un Parcours Pratique

Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses

Doc & Quiz

Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

ABONNEZ-VOUS