Le carbure de silicium fritté sous pression atmosphérique, composé de C, N, B et autres matières premières réfractaires modernes non oxydes, est largement utilisé et économique. On peut le comparer à de l'émeri ou à du sable réfractaire. Le carbure de silicium pur se présente sous forme de cristaux transparents incolores. Quelles sont donc la structure et les caractéristiques du carbure de silicium ?
Carbure de silicium fritté sous pression atmosphérique
Structure du matériau en carbure de silicium fritté à pression atmosphérique :
Le carbure de silicium fritté à pression atmosphérique utilisé dans l'industrie présente une coloration jaune clair, verte, bleue ou noire, selon le type et la teneur en impuretés. Sa pureté et sa transparence varient également. La structure cristalline du carbure de silicium se divise en deux phases : la phase β-SiC, de forme losangique, et la phase cubique β-SiC. Cette dernière présente une grande variété de déformations dues à l'empilement différent des atomes de carbone et de silicium dans sa structure cristalline ; plus de 70 types de déformations ont été identifiés. La phase β-SiC se transforme en phase α-SiC au-dessus de 2100 °C. Le procédé industriel de fabrication du carbure de silicium consiste à le raffiner dans un four à résistance à l'aide de sable de quartz de haute qualité et de coke de pétrole. Les blocs de carbure de silicium raffinés sont ensuite broyés, nettoyés par voie acide-base, séparés magnétiquement, puis tamisés ou triés par lavage à l'eau afin d'obtenir des produits granulométriques variés.
Caractéristiques des matériaux du carbure de silicium fritté à pression atmosphérique :
Le carbure de silicium possède une excellente stabilité chimique, une conductivité thermique élevée, un coefficient de dilatation thermique important et une grande résistance à l'usure. De ce fait, outre son utilisation comme abrasif, il trouve de nombreuses applications : par exemple, la poudre de carbure de silicium est appliquée par un procédé spécifique sur la paroi interne des roues de turbines ou des blocs-cylindres, ce qui améliore la résistance à l'usure et multiplie leur durée de vie par 1 à 2. Fabriqué à partir de matériaux réfractaires de haute qualité, résistants à la chaleur, de petite taille, légers et à haute résistance, il offre un excellent rendement énergétique. Le carbure de silicium de faible pureté (contenant environ 85 % de SiC) est un excellent désoxydant qui accélère la production d'acier et facilite le contrôle de sa composition chimique, améliorant ainsi sa qualité. Par ailleurs, le carbure de silicium fritté à pression atmosphérique est largement utilisé dans la fabrication de composants électriques à partir de barres de carbone-silicium.
Le carbure de silicium est extrêmement dur. Sa dureté Morse est de 9,5, juste après le diamant (10), le matériau le plus dur au monde. C'est un semi-conducteur doté d'une excellente conductivité thermique et qui résiste à l'oxydation à haute température. Il existe au moins 70 types cristallins de carbure de silicium. Le carbure de silicium-plutonium est un isomère courant qui se forme à des températures supérieures à 2000 °C et possède une structure cristalline hexagonale (semblable à la wurtzite). Le carbure de silicium est fritté sous pression atmosphérique.
Application du carbure de silicium dans l'industrie des semi-conducteurs
La chaîne de valeur de l'industrie des semi-conducteurs en carbure de silicium comprend principalement la poudre de carbure de silicium de haute pureté, le substrat monocristallin, la feuille épitaxiale, les composants de puissance, le conditionnement des modules et les applications terminales.
1. Substrat monocristallin. Un substrat monocristallin est un matériau support pour semi-conducteurs, un matériau conducteur et un substrat de croissance épitaxiale. Actuellement, les méthodes de croissance de monocristaux de SiC comprennent le transfert physique en phase vapeur (méthode PVT), la méthode en phase liquide (méthode LPE) et le dépôt chimique en phase vapeur à haute température (méthode HTCVD). Le carbure de silicium est fritté sous pression atmosphérique.
2. Couche épitaxiale de carbure de silicium : couche épitaxiale de carbure de silicium, film monocristallin (couche épitaxiale) orientée dans le même sens que le cristal du substrat, ce dernier présentant certaines exigences. En pratique, la quasi-totalité des dispositifs semi-conducteurs à large bande interdite sont fabriqués sur une couche épitaxiale, la puce de silicium servant uniquement de substrat, y compris le substrat de la couche épitaxiale de GaN.
3. Poudre de carbure de silicium de haute pureté La poudre de carbure de silicium de haute pureté est la matière première pour la croissance de monocristaux de carbure de silicium par la méthode PVT, et la pureté du produit affecte directement la qualité de croissance et les caractéristiques électriques du monocristal de carbure de silicium.
4. Le dispositif de puissance est un générateur à large bande en carbure de silicium, caractérisé par une haute température, une haute fréquence et un rendement élevé. Selon son mode de fonctionnement, l'alimentation SiC comprend principalement une diode de puissance et un transistor de puissance.
5. Terminaux. Dans les applications semi-conducteurs de troisième génération, les semi-conducteurs en carbure de silicium (SiC) présentent l'avantage d'être complémentaires aux semi-conducteurs en nitrure de gallium (GaN). Grâce à leur rendement de conversion élevé, leur faible dégagement de chaleur, leur légèreté et d'autres atouts, les dispositifs SiC répondent à une demande croissante de la part des industries en aval, et tendent à remplacer les dispositifs SiO₂.
Date de publication : 16 juin 2023