La première génération de matériaux semi-conducteurs est représentée par le silicium (Si) et le germanium (Ge) traditionnels, qui constituent la base de la fabrication des circuits intégrés. Ils sont largement utilisés dans les transistors et les détecteurs basse tension, basse fréquence et basse consommation. Plus de 90 % des produits semi-conducteurs sont fabriqués à partir de matériaux à base de silicium ;
Les matériaux semi-conducteurs de deuxième génération sont représentés par l'arséniure de gallium (GaAs), le phosphure d'indium (InP) et le phosphure de gallium (GaP). Comparés aux dispositifs à base de silicium, ils possèdent des propriétés optoélectroniques à haute fréquence et à haute vitesse et sont largement utilisés dans les domaines de l'optoélectronique et de la microélectronique.
La troisième génération de matériaux semi-conducteurs est représentée par des matériaux émergents tels que le carbure de silicium (SiC), le nitrure de gallium (GaN), l'oxyde de zinc (ZnO), le diamant (C) et le nitrure d'aluminium (AlN).
carbure de siliciumLe carbure de silicium est un matériau de base essentiel au développement de l'industrie des semi-conducteurs de troisième génération. Grâce à leurs excellentes propriétés (résistance aux hautes tensions et aux hautes températures, faibles pertes, etc.), les dispositifs de puissance en carbure de silicium répondent efficacement aux exigences de haute efficacité, de miniaturisation et de légèreté des systèmes d'électronique de puissance.
Grâce à ses propriétés physiques supérieures : large bande interdite (correspondant à un champ électrique de claquage élevé et à une forte densité de puissance), conductivité électrique et thermique élevées, il devrait devenir le matériau de base le plus utilisé pour la fabrication de puces semi-conductrices. Il présente notamment des avantages considérables dans les domaines des véhicules à énergies nouvelles, de la production d'énergie photovoltaïque, du transport ferroviaire, des réseaux intelligents et autres.
Le processus de production du SiC est divisé en trois étapes principales : la croissance de monocristaux de SiC, la croissance de couches épitaxiales et la fabrication de dispositifs, qui correspondent aux quatre principaux maillons de la chaîne industrielle :substrat, épitaxie, appareils et modules.
La méthode courante de fabrication de substrats repose sur la sublimation physique en phase vapeur (PVD) d'une poudre dans un environnement sous vide à haute température. Des cristaux de carbure de silicium croissent ensuite à la surface d'un germe cristallin grâce au contrôle du champ thermique. En utilisant une plaquette de carbure de silicium comme substrat, le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) permet de déposer une couche monocristalline pour former une plaquette épitaxiale. Parmi les procédés de fabrication, la croissance d'une couche épitaxiale de carbure de silicium sur un substrat conducteur en carbure de silicium permet de réaliser des dispositifs de puissance, principalement utilisés dans les véhicules électriques, le photovoltaïque et d'autres domaines. La croissance d'une couche épitaxiale de nitrure de gallium sur un substrat semi-isolant permet quant à elle de réaliser des dispositifs de puissance.substrat en carbure de siliciumpeuvent en outre être transformés en dispositifs à radiofréquence, utilisés dans les communications 5G et d'autres domaines.
À l'heure actuelle, les substrats en carbure de silicium présentent les barrières techniques les plus élevées de la chaîne industrielle du carbure de silicium, et ce sont les substrats en carbure de silicium les plus difficiles à produire.
Le goulot d'étranglement de la production de SiC n'est pas encore totalement résolu. La qualité des piliers cristallins, matière première, est instable et le rendement est insuffisant, ce qui explique le coût élevé des dispositifs en SiC. Alors que la croissance d'une tige cristalline de silicium ne prend en moyenne que trois jours, celle d'une tige de carbure de silicium nécessite une semaine. Une tige de silicium classique peut atteindre 200 cm de long, contre seulement 2 cm pour une tige de carbure de silicium. De plus, le SiC est un matériau dur et fragile, et les plaquettes qui en sont constituées sont sujettes à l'écaillage des bords lors du découpage mécanique traditionnel, ce qui affecte le rendement et la fiabilité des produits. Les substrats en SiC sont très différents des lingots de silicium traditionnels, et l'ensemble du processus, des équipements à la découpe, doit être adapté au carbure de silicium.
La chaîne de valeur du carbure de silicium se divise principalement en quatre maillons : substrat, épitaxie, dispositifs et applications. Les matériaux de substrat constituent le fondement de cette chaîne, les matériaux épitaxiaux sont essentiels à la fabrication des dispositifs, ces derniers en sont le cœur, et les applications sont le moteur du développement industriel. En amont, l’industrie utilise des matières premières pour fabriquer des substrats par sublimation physique en phase vapeur et d’autres procédés, puis des matériaux épitaxiaux par dépôt chimique en phase vapeur et d’autres méthodes. En aval, l’industrie utilise ces matériaux pour fabriquer des dispositifs radiofréquences, des dispositifs de puissance et d’autres composants, qui sont finalement utilisés dans les communications 5G, les véhicules électriques, le transport ferroviaire, etc. Les substrats et l’épitaxie représentent 60 % du coût total de la chaîne et en constituent la principale source de valeur.
Substrats SiC : Les cristaux de SiC sont généralement fabriqués selon le procédé Lely. Les produits internationaux les plus courants passent progressivement du format 4 pouces au format 6 pouces, et des substrats conducteurs de 8 pouces ont été développés. En Chine, la plupart des substrats sont de 4 pouces. Les lignes de production de plaquettes de silicium de 6 pouces existantes pouvant être modernisées et converties pour produire des dispositifs SiC, la part de marché élevée des substrats SiC de 6 pouces devrait se maintenir durablement.
La fabrication de substrats en carbure de silicium est un procédé complexe et difficile. Le carbure de silicium est un matériau monocristallin semi-conducteur composé de carbone et de silicium. Actuellement, l'industrie utilise principalement des poudres de carbone et de silicium de haute pureté comme matières premières pour sa synthèse. Sous un champ thermique spécifique, la méthode éprouvée de dépôt physique en phase vapeur (méthode PVT) permet de faire croître des cristaux de carbure de silicium de différentes tailles dans un four de cristallisation. Le lingot cristallin obtenu subit ensuite de multiples opérations de transformation : découpe, meulage, polissage, nettoyage, etc., pour produire un substrat en carbure de silicium.
Date de publication : 22 mai 2024