Matériaux semiconducteurs à grand gap : le carbure de silicium (SiC)

En quelques années à peine, et à cause de la nécessité toujours plus impérieuse d'économiser l'énergie électrique, le carbure de silicium (SiC) est devenu un acteur majeur de la filière électronique. Ce semi-conducteur à large bande interdite possède en effet un champ de claquage élevé, une grande vitesse de saturation des électrons et une forte conductivité thermique. C'est cette combinaison unique de propriétés physiques exceptionnelles qui lui donne une excellente tenue en tension, conjuguée avec une excellente aptitude au passage des très fortes densités de courant. Si l'on y adjoint la possibilité de travailler à haute fréquence et à haute température, on comprend aisément que SiC soit un matériau parfaitement adapté à la réalisation des composants de puissance avec la distribution de l'énergie électrique comme domaine d'application privilégié.

Aujourd'hui 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 tous les composants de puissance appelés à fonctionner au-delà de 1000 V. Son principal handicap est que, d'une façon générale, les substrats sont chers et les progrès nécessaires à leur développement sont lents. Néanmoins, des plaquettes de 3 et 4 in (7,5 et 10 cm) de diamètre sont disponibles chez plusieurs fabricants et des plaquettes prototypes de 6 in (15 cm) de diamètre ont été présentées. Sur ces substrats on sait, depuis plusieurs années déjà, relativement bien contrôler les technologies de dépôt en couches minces (épitaxie) et les technologies de dopage sélectif (dopage in situ ou dopage par implantation ionique). On peut ainsi contrôler de façon reproductible la concentration de porteurs dans plusieurs couches monocristallines successives et, de cette façon, poursuivre le développement d'une filière autonome de réalisation de composants. Reste à optimiser la technologie des contacts pour les applications haute température et 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). Enfin, et d'une façon générale, l'encapsulation demeure un domaine peu exploré. À notre connaissance, il n'existe pas encore de boîtiers spécifiquement dédiés aux conditions de fonctionnement extrêmes.

La filière SiC apparaît donc comme le développement naturel des filières plus anciennes « silicium » et « arséniure de gallium ». C'est, de plus, une des (sinon la) solutions idéales pour réaliser des capteurs ou des dispositifs optoélectroniques (interrupteurs photoélectriques, par exemple) appelés à fonctionner à très haute température. À ce sujet on pourra utilement consulter plusieurs articles parus dans Techniques de l'Ingénieur qui passent successivement en revue l'état d'avancement de la filière ([RE3], [D3119] et [D3120], voir [Doc. E1990v3]).

Dans cet article, nous reprenons l'état de l'art de l'atricle précédent publié en 1998 en incluant des applications électroniques nouvelles, comme les résonateurs électromécaniques, les capteurs ou les pointes SiC pour les dispositifs à émission froide (cathodes à effet de champ). Enfin, nous donnons un aperçu rapide des applications de la croissance de graphène sur SiC.