Carbure de silicium vs. silicium : Une étude comparative des semi-conducteurs dans les applications à haute température

1 Introduction

Avec la large application des semi-conducteurs dans divers aspects de la production et de la vie, les exigences de performance des matériaux semi-conducteurs dans les différents scénarios d'utilisation deviennent de plus en plus diverses. Dans de nombreux environnements d'application, les matériaux semi-conducteurs doivent fonctionner à des températures élevées, ce qui exige une stabilité thermique, une stabilité électrique et une densité de puissance élevées des matériaux semi-conducteurs. Dans ce contexte, les plaquettes de carbure de silicium (SiC ) et de silicium (Si ) ont retenu l'attention en tant que matériaux semi-conducteurs dotés d'une structure et de propriétés stables et d'une bonne stabilité thermique. La structure en diamant de ces deux cristaux atomiques les rend extrêmement stables sur le plan thermique et ils peuvent assumer davantage de fonctions semi-conductrices dans des environnements à haute température. Dans cet article, nous analyserons les différences de performance et les raisons de leur performance dans les scénarios d'application des semi-conducteurs à haute température du point de vue de la structure cristalline et des propriétés physicochimiques, et nous fournirons des références pour vos choix en combinaison avec le processus de préparation et le coût.

2 Structure cristalline et propriétés du carbure de silicium et de la plaquette de silicium

2.1 Structure cristalline et propriétés du carbure de silicium

Selon la structure cristalline, le carbure de silicium peut être divisé en carbure de silicium α hexagonal et en carbure de silicium β cubique. Le carbure de silicium α (α-SiC) est le type polycristallin le plus courant et, selon la disposition des atomes, il se divise en 4H-SiC et 6H-SiC. Dans la structure cristalline 4H-SiC, les atomes de silicium et les atomes de carbone sont disposés en couches alternées, ce qui forme la structure cristalline hexagonale, tandis que dans la structure cristalline 6H-SiC, elle forme la structure cristalline hexagonale et tétragonale alternée. La figure 1 illustre l'arrangement atomique de ces deux structures cristallines.

Fig.1 Structure cristalline du 4H-SiC (à gauche) et du 6H-SiC (à droite)

Pour l'α-SiC, certaines des propriétés du 4H-SiC et du 6H-SiC sont légèrement différentes en raison de différences mineures dans leurs structures de réseau. Le 4H-SiC présente une grande tolérance à la désadaptation du réseau, qui caractérise la capacité du cristal à maintenir un certain degré de stabilité et de qualité cristalline même en cas de désadaptation imparfaite entre les arrangements atomiques du réseau, et constitue un paramètre important pour décrire la plasticité et la stabilité du matériau cristallin sous l'action d'une contrainte. Il s'agit d'un paramètre important pour décrire la plasticité et la stabilité des matériaux cristallins sous l'action d'une contrainte. La combinaison d'une plus grande tolérance à la désadaptation du réseau, d'un champ de rupture plus élevé et d'une meilleure conductivité électrique se traduit par une stabilité et une fiabilité accrues des dispositifs en 4H-SiC, qui fonctionnent bien dans les domaines de l'électronique et de l'optoélectronique de haute puissance. En revanche, le 6H-SiC présente une mobilité électronique plus élevée et une section efficace de capture des électrons plus faible, ce qui lui confère de meilleures propriétés de transport des porteurs, notamment en termes de mobilité et de durée de vie.

Le β-carbure de silicium (β-SiC) peut être représenté comme 3C-SiC selon l'arrangement atomique, où chaque atome de silicium est entouré de quatre atomes de carbone et de quatre atomes de silicium voisins dans la structure de réseau cubique. La figure 2 montre la structure de son arrangement atomique.

Fig.2 Structure cristalline du 3C-SiC

Par rapport au β-SiC, les α-SiC offrent un meilleur rapport coût-efficacité et une plus grande fiabilité des dispositifs car leurs structures cristallines présentent une meilleure stabilité, des concentrations d'impuretés plus faibles et des densités de défauts plus faibles, ce qui leur permet de fonctionner à des températures élevées, à des puissances élevées et à des conditions de tension élevée. Quant au 3C-SiC, sa structure cristalline lui permet d'avoir la vitesse théorique des électrons la plus élevée, mais il est sensible aux impuretés, ce qui entraîne des traces de corrosion dues aux impuretés. Le 3C-SiC présente une mobilité électronique et un taux de dérive à saturation élevés, ainsi qu'une faible concentration d'impuretés et de faibles courants de fuite, ce qui lui permet d'être utilisé dans l'électronique de haute puissance, les dispositifs RF, etc. mais, en raison de la différence entre sa structure cristalline et les matériaux de substrat en silicium, il n'est pas adapté à la fabrication de circuits intégrés. Les différentes structures cristallines du SiC présentent des propriétés physiques et chimiques spécifiques, ainsi que la structure cristalline des paramètres pertinents, comme le montre le tableau 1.

Tableau 1 Propriétés des cristaux de SiC avec différentes structures cristallines

2.2 Structure cristalline et propriétés du silicium

Les cristaux de silicium ont une structure diamantaire typique, avec des atomes de silicium disposés de manière équidistante pour former un réseau cubique, et chaque atome de silicium relié aux quatre atomes de silicium environnants par des liaisons covalentes pour former une structure orthotétraédrique extrêmement stable, qui confère aux monomères de silicium un point de fusion élevé (1414°C) et une grande stabilité thermique. La figure 3 est une représentation schématique de la structure d'un cristal de silicium.

Fig.3 Structure cristalline du Si

Chaque atome de silicium dans un cristal de silicium est relié à quatre atomes de silicium environnants par des liaisons covalentes, formant ainsi une structure cristalline stable. Le silicium est ainsi chimiquement et thermiquement stable, avec un point de fusion d'environ 1 414 degrés Celsius. Le silicium présente également une conductivité thermique élevée, de l'ordre de 1,5 à 1,7 watts par mètre-kelvin (W/m-K), ce qui le rend important pour la dissipation de la chaleur et les applications de gestion thermique. Le silicium est un semi-conducteur à bande interdite indirecte, avec une largeur de bande interdite d'environ 1,1 électronvolt (eV). À température ambiante, le silicium se comporte comme un isolant, mais lorsqu'il est excité (par exemple, par une augmentation de la température ou l'application d'un champ électrique), les électrons peuvent sauter dans la bande de conduction, ce qui en fait un semi-conducteur. Dans les cristaux de silicium pur, la concentration d'électrons et de trous est très faible et le silicium se comporte donc comme un isolant. Toutefois, en le dopant ou en appliquant un champ électrique, des porteurs libres supplémentaires peuvent être introduits, ce qui fait que le silicium présente la conductivité d'un semi-conducteur ou d'un conducteur.

Fig.4 Diagramme de la structure des bandes d'énergie d'un cristal de silicium

3 En quoi le SiC et le Si sont-ils meilleurs que les autres matériaux semi-conducteurs ?

3.1 Défis posés aux matériaux semi-conducteurs dans les environnements à haute température

À haute température, les matériaux sont sensibles aux contraintes et aux dilatations thermiques, ce qui entraîne une perturbation de la structure cristalline et une dégradation des propriétés. Pour les matériaux semi-conducteurs, en particulier ceux tels que le silicium, la stabilité thermique est essentielle. La structure cristalline n'affecte pas seulement l'indice de performance du dispositif, mais peut également avoir un impact direct sur le fonctionnement et la sécurité de l'ensemble du processus. Parallèlement, les propriétés électriques des matériaux semi-conducteurs sont susceptibles de changer dans des environnements à haute température, par exemple, la conductivité, la concentration de porteurs, etc. peuvent être affectées par la température et le changement, ce qui peut entraîner une baisse des performances des dispositifs électroniques ou une défaillance. En outre, les matériaux semi-conducteurs dans les environnements à haute température sont sujets à des réactions chimiques avec l'oxygène, la vapeur d'eau, etc. dans l'environnement, ce qui entraîne l'oxydation de la surface du matériau, la corrosion ou la diffusion d'impuretés dans le matériau, et d'autres phénomènes, affectant la stabilité et la durée de vie de l'appareil. La chaleur générée à l'intérieur du dispositif fonctionnant dans un environnement à haute température peut également provoquer une nouvelle hausse de la température, affectant ainsi les performances et la stabilité du dispositif. C'est pourquoi de bons systèmes de conduction thermique et de dissipation de la chaleur sont essentiels pour les dispositifs à semi-conducteurs fonctionnant dans des environnements à haute température.

3.2 Avantages et inconvénients du carbure de silicium et du silicium

3.2.1 Propriétés thermiques

Le point de fusion du silicium est d'environ 1 414 degrés Celsius et celui du carbure de silicium est d'environ 2 700 degrés Celsius. La conductivité thermique du silicium est d'environ 1,5-1,7 watts par mètre-kelvin (W/m-K). Le SiC a une conductivité thermique plus élevée, généralement comprise entre 3 et 4,9 watts par mètre-kelvin (W/m-K), en fonction de la température et de la structure cristalline. Comme le montre la figure 5, la conductivité thermique du carbure de silicium est trois fois plus élevée que celle du silicium. D'un point de vue global de la capacité à résister aux environnements à haute température, le carbure de silicium peut supporter des températures plus élevées que le silicium et possède des performances de dissipation de la chaleur plus excellentes, ce qui peut être une priorité dans l'utilisation des exigences de températures extrêmement élevées.

Fig.5 Le carbure de silicium a une conductivité thermique trois fois supérieure à celle du silicium.

3.2.2 Propriétés photoélectriques

Le SiC est un semi-conducteur à large bande avec une largeur de bande interdite de 2,2 à 3,3 électronvolts (eV). Le Si est un semi-conducteur à bande étroite avec une largeur de bande interdite plus petite d'environ 1,1 électronvolt (eV). La largeur de la bande interdite détermine les propriétés conductrices du matériau. Les matériaux à faible bande interdite se comportent généralement comme de bons conducteurs ou semi-conducteurs, car les électrons peuvent sauter dans la bande de conduction avec une relative facilité et participer au comportement conducteur. En revanche, les matériaux dont la bande interdite est plus large se comportent généralement comme des isolants, car les électrons ont besoin d'une énergie plus élevée pour passer dans la bande de conduction, ce qui se traduit par des matériaux contenant peu de porteurs libres à température ambiante. La largeur de la bande interdite détermine également les propriétés optiques du matériau, telles que l'absorption, l'émission et la transmission de la lumière. Les matériaux dont la bande interdite est plus petite présentent généralement de bonnes propriétés d'absorption de la lumière, car ils peuvent absorber davantage de photons. En revanche, les matériaux présentant des bandes interdites plus larges sont généralement transparents ou translucides, car ils ne peuvent absorber que les photons dont l'énergie est supérieure à la largeur de la bande interdite. Ces différentes propriétés déterminent également que le SiC et le Si sont appliqués dans des scénarios d'utilisation différents.

3.2.3 Propriétés mécaniques et stabilité chimique

La dureté de Mohs du SiC est d'environ 9-9,5, ce qui est proche de la dureté du diamant, tandis que la dureté de Mohs du Si est d'environ 7, ce qui est légèrement inférieur à celle du SiC. La dureté élevée du SiC lui confère une bonne résistance à l'abrasion et aux rayures, ce qui permet de l'utiliser dans la fabrication de dispositifs nécessitant une résistance à l'abrasion. Parallèlement, la résistance du SiC est généralement supérieure à celle du Si. Le SiC a une excellente résistance à la flexion et à la traction et peut supporter des contraintes plus importantes sans déformation ni rupture. Le SiC présente une bonne stabilité chimique à température ambiante et n'est pas facilement attaqué par les acides, les alcalis et les solvants, alors que le Si est attaqué par certains agents oxydants puissants et acides forts.

4 Différents scénarios d'application du carbure de silicium et du silicium

Compte tenu des propriétés distinctes du carbure de silicium et du silicium résultant de leurs structures cristallines, il est évident que leurs applications sont adaptées à leurs points forts.

Le carbure de silicium présente une stabilité thermique exceptionnelle et une résistance aux températures élevées, ce qui le rend idéal pour la fabrication de dispositifs électroniques fonctionnant dans des conditions de chaleur extrême. Les applications comprennent les dispositifs de puissance, les dispositifs RF et bien d'autres encore. Ses solides performances dans les environnements à haute température permettent de répondre aux demandes de secteurs tels que l'électronique de puissance, les communications RF et l'électronique automobile. En outre, la plus grande largeur de bande interdite du SiC se traduit par des tensions de claquage plus élevées et une résistance à l'enclenchement plus faible, ce qui le rend particulièrement adapté à la fabrication de dispositifs de haute puissance tels que les MOSFET de puissance et les diodes.

D'autre part, le Si est l'un des matériaux semi-conducteurs les plus répandus, largement utilisé dans les dispositifs électroniques conventionnels tels que les transistors, les circuits intégrés et les cellules solaires. Il sert de pierre angulaire à la microélectronique, bénéficiant de technologies de préparation et de méthodes de traitement matures qui permettent des niveaux élevés d'intégration et de miniaturisation. La polyvalence du Si s'étend aux applications optoélectroniques telles que les DEL, les lasers, les photodétecteurs et les cellules solaires, en tirant parti de ses excellentes propriétés photovoltaïques et de son efficacité en matière de conversion photoélectrique.

5 Conclusion

Comparé au silicium, le carbure de silicium a tendance à avoir une plus large gamme d'applications dans des scénarios de températures plus élevées, mais en raison de son processus de préparation et de la pureté du produit fini obtenu, les plaquettes de silicium restent le choix le plus communément utilisé dans les cas où les exigences en matière d'environnement thermique sont relativement faibles. Stanford Advanced Materials fournit des plaquettes de carbure de silicium et des plaquettes de silicium de haute qualité pour vos diverses utilisations.

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Référence :

[1]Fenglin G ,Chen S ,Xiufang C , et al. Shape modulation due to sub-surface damage difference on N-type 4H-SiC wafer during lapping and polishing[J]. Materials Science in Semiconductor Processing,2022,152.