Technologie du carbure de silicium

Le carbure de silicium (SiC) est un composé synthétique exceptionnellement dur de silicium et de carbone qui est utilisé pour produire du papier de verre, des meules et des outils de coupe, ainsi que des revêtements pour les fours industriels, en tant que matériau réfractaire ou élément chauffant.

Le SiC peut être transformé en semi-conducteur par l'ajout de diverses impuretés qui permettent à l'électricité de le traverser, ce qui le rend adapté aux applications nécessitant à la fois des températures et des niveaux de puissance élevés. Cette propriété fait du SiC un matériau prometteur.

Haute température

Le carbure de silicium à haute température (SiC) est un matériau idéal pour créer des composants électroniques flexibles conçus pour résister à des environnements difficiles et toxiques, grâce à ses propriétés physiques supérieures à celles des plates-formes rigides, notamment l'extensibilité et la pliabilité. En outre, le SiC offre une excellente résistance à l'oxydation ainsi qu'un point de fusion élevé, ce qui le rend approprié pour les échangeurs de chaleur compacts à haute température. Dans cette thèse, nous décrivons une méthode de fabrication de capteurs flexibles à base de SiC sur des substrats de polyimide adaptés aux environnements hostiles.

Le SiC s'est révélé très prometteur en tant que semi-conducteur à large bande interdite, offrant des tensions de claquage plus élevées que ses homologues en silicium, tout en présentant une résistance à l'usure et des températures de fonctionnement plus faibles. Sa large bande interdite lui permet de fonctionner à des températures plus élevées.

L'excellente conductivité thermique du carbure de silicium en fait un excellent choix pour les applications où les dispositifs doivent supporter des températures extrêmes et des échauffements répétés, comme les véhicules électriques. Cette technologie permet des temps de charge rapides tout en minimisant le nombre de composants et la perte globale du système ; en outre, elle accélère les temps de charge de la batterie de zéro à la pleine capacité, ce qui est vital pour son adoption et sa mise en œuvre.

Les récents progrès réalisés dans le domaine des circuits intégrés et des convertisseurs de puissance à base de SiC ont permis d'atteindre des températures de fonctionnement plus élevées. Toutefois, plusieurs défis techniques doivent encore être relevés pour réaliser de nouvelles avancées, notamment en ce qui concerne l'entraînement de la grille, la mesure du courant, l'adaptation des paramètres entre les dispositifs, la technologie de conditionnement pour s'adapter aux conditions de température de fonctionnement élevées, le conditionnement adapté aux températures élevées, etc. Pour surmonter ces obstacles, les chercheurs développent des matériaux et des technologies adaptés aux environnements à haute température, notamment le frittage, le collage par réaction et la croissance cristalline, ainsi que la production par CVD de SiC en vrac pour la fabrication à l'échelle de la plaquette.

Haute puissance

Les dispositifs de puissance en carbure de silicium révolutionnent notre conception de l'électricité. Par rapport à leurs prédécesseurs en silicium (Si), cette nouvelle technologie SiC offre des températures de fonctionnement plus élevées, des pertes de commutation plus faibles, des capacités de courant et de tension plus importantes, ainsi qu'une réduction de la taille et du poids des composants, ce qui se traduit par une baisse spectaculaire des coûts des systèmes.

Le SiC est un matériau exceptionnel dont les propriétés uniques en font le successeur idéal du silicium pour les applications à haute tension et à courant élevé. Composé de silicium (Si) et de carbone (C), le SiC présente une intensité de champ électrique de rupture 10 fois supérieure et une bande interdite 3 fois plus grande que le silicium conventionnel, ce qui le rend approprié pour le dopage des impuretés de type p et de type n, rendant possible une gamme de technologies de dispositifs de puissance tels que les diodes Schottky et les MOSFET dans des boîtiers discrets ou modulaires.

Dans une tour cellulaire, la tension de claquage élevée du SiC alimente les amplificateurs RF utilisés pour transmettre les signaux sans fil entre les stations de base mobiles et les émetteurs-récepteurs de base. En outre, cette technologie est mise en œuvre dans les systèmes d'alimentation des véhicules électriques (VE), où elle s'est avérée bénéfique pour les distances de conduite plus longues, ainsi que pour une meilleure conservation de l'énergie grâce à des systèmes de gestion de la batterie et à des onduleurs dotés de fonctions de conservation de l'énergie plus performantes.

Les IDM et FET à base de carbure de silicium présentent une résistance à l'allumage plus faible que les IGBT à base de silicium, tout en offrant une tension de tenue 300 fois supérieure et un fonctionnement plus rapide, ce qui permet des fréquences de commutation plus élevées avec des coûts de refroidissement réduits, ainsi que des composants passifs plus petits et une magnétisation plus simple. En outre, la conductivité thermique supérieure du carbure de silicium permet d'obtenir des convertisseurs de puissance plus compacts qui peuvent être montés sur des dissipateurs thermiques plus petits afin de réduire encore la taille, le poids et les coûts du système.

Haute tension

Les semi-conducteurs en carbure de silicium (SiC) offrent des avantages significatifs par rapport aux technologies standard au silicium dans les applications de conversion d'énergie, en particulier en ce qui concerne les champs électriques et les températures. Le carbure de silicium peut supporter des champs électriques plus importants tout en restant à des températures plus basses, ce qui signifie des performances améliorées à des coûts moindres en termes d'espace physique occupé ou de coûts payés ; cet avantage rend ces semi-conducteurs particulièrement adaptés aux infrastructures clés telles que les infrastructures de recharge des véhicules électriques.

Les dispositifs de puissance en SiC ont la capacité de supporter un champ électrique critique 10 fois plus élevé que les dispositifs en silicium, ce qui en fait une excellente solution pour les applications de puissance à haute tension. En outre, leurs pertes par conduction sont beaucoup plus faibles, ce qui permet des fréquences de commutation plus rapides et une plus grande efficacité.

Ces caractéristiques rendent ces composants parfaits pour les applications dans le secteur de l'énergie, y compris les convertisseurs de puissance et les commandes de moteur. Leur construction à la fois légère et efficace permet aux concepteurs de réduire le poids et la taille des composants tels que les aimants et les inductances afin de réduire les coûts de conception tout en respectant les spécifications de niveau de tension.

Les dispositifs de puissance SiC présentent l'avantage d'avoir une tension de claquage plus élevée, ce qui leur permet de supporter des tensions plus élevées que les dispositifs au silicium standard et de convenir aux systèmes alimentés par batterie où les commutateurs de puissance doivent gérer efficacement les courants et les températures élevés.

Les dispositifs de puissance classiques en Si présentent une résistance extrêmement élevée de la couche n lorsque la tension de claquage dépasse 600-800 V. Pour surmonter cette limite, l'injection de porteurs minoritaires à partir de la région p peut contribuer à abaisser cette résistance en créant des jonctions pn abruptes - cette forme de dispositif est connue sous le nom de transistor bipolaire.

Mitsubishi Electric a récemment dévoilé une série d'IGBT haute tension en carbure de silicium (SiC) spécialement conçus pour les applications industrielles. Ces nouveaux dispositifs peuvent remplacer les dispositifs au silicium standard dans les systèmes de conversion d'énergie afin de réaliser d'importantes économies d'énergie tout en améliorant la fiabilité des réseaux de transmission de courant continu à haute tension.

Haute fréquence

Les semi-conducteurs de puissance haute fréquence en carbure de silicium (SiC) permettent aux convertisseurs de puissance de fonctionner plus rapidement, plus efficacement et de manière plus fiable - des facteurs technologiques clés dans de nombreuses applications transformatrices telles que les stations de recharge pour véhicules électriques, l'alimentation des centres de données et l'alimentation des serveurs. En outre, ses propriétés thermiques supérieures font du carbure de silicium un excellent choix pour les environnements à haute température.

Le SiC est unique parmi les semi-conducteurs car son écart énergétique est trois fois plus grand que celui du silicium, ce qui lui permet de supporter des températures, des tensions et des fréquences beaucoup plus élevées sans se dégrader au fil du temps. Cela permet aux concepteurs de réduire la taille des cartes tout en éliminant complètement les composants magnétiques coûteux.

Les semi-conducteurs à large bande interdite (WBG) à haute vitesse présentent des défis uniques en ce qui concerne les vitesses de commutation ; leur commutation rapide peut entraîner des pics de tension, du bruit et une non-conformité avec les réglementations sur les interférences électromagnétiques (EMI). Pour minimiser ces problèmes, les ingénieurs doivent concevoir et tester leurs systèmes à l'aide d'outils et de méthodologies de mesure de précision et incorporer les meilleures pratiques qui minimisent les risques de voir ces problèmes apparaître pendant le développement du prototype, la qualification du produit ou même pire sur le terrain.

Récemment, des réductions significatives de la surface des composants SiC leur ont permis de fonctionner à des fréquences plus élevées que les puces conventionnelles à base de silicium, ce qui leur a permis d'obtenir de bons résultats dans des applications de puissance clés telles que le TPPFC à 100 kHz et la commutation douce LLC à 200-300 kHz. Les technologies émergentes telles que les MOSFET en tranchée et en cascade augmenteront encore les performances dans les applications à haute fréquence.

La famille GeneSiC de Navitas, composée de dispositifs SiC protégés par des brevets, permet une conversion d'énergie rapide et efficace pour des applications allant de 20 W à 20 MW, de 20 W à 6,5 kV de tension nominale, offrant une conductivité, une commutation, une force de champ électrique et une résistance au champ électrique exceptionnelles, permettant aux concepteurs de mettre en œuvre facilement des topologies de conversion d'énergie moyenne tension de pointe telles que des convertisseurs à deux niveaux ou des transformateurs à l'état solide.

Haut débit

Les dispositifs de puissance en carbure de silicium révolutionnent la façon dont l'électricité est transformée, contrôlée et distribuée. Offrant de nombreux avantages par rapport à leurs homologues en silicium, les semi-conducteurs de puissance en carbure de silicium permettent de créer des systèmes plus petits et plus légers, plus efficaces et plus fiables - parfaits pour les véhicules électriques ou les chargeurs de batterie ; les applications industrielles comprennent les robots ou l'automatisation des usines.

Le SiC est idéal pour les concepteurs de systèmes qui recherchent des gains d'efficacité grâce à sa tension de claquage et à ses vitesses de commutation plus élevées, ce qui le rend parfait pour les applications à grande vitesse telles que la technologie mobile 5G, qui nécessite du matériel avec des débits de données 20 fois plus rapides que la 4G LTE. En outre, les dispositifs SiC présentent une conductivité et une fiabilité supérieures à celles des semi-conducteurs de puissance traditionnels à base de silicium.

La large bande interdite du carbure de silicium permet à l'électronique de fonctionner à des températures, des tensions et des fréquences beaucoup plus élevées - caractéristiques essentielles du fonctionnement à grande vitesse - réduisant ainsi les pertes de puissance globales tout en réduisant la taille et le coût des dispositifs, en améliorant les problèmes de gestion thermique et en permettant l'utilisation de composants passifs moins coûteux.

Les dispositifs à porteurs minoritaires, tels que les IGBT, étaient autrefois utilisés pour gérer des tensions de claquage plus élevées ; cependant, ils souffrent d'une résistance à l'enclenchement et de pertes de commutation accrues à des fréquences élevées, ce qui limite leur utilisation dans de nombreuses applications d'électronique de puissance. En revanche, les dispositifs à porteurs majoritaires tels que les diodes à barrière Schottky et les transistors MOSFET fabriqués à l'aide de carbure de silicium peuvent supporter des tensions de tenue plus élevées avec une résistance à l'enclenchement minimale, même à des fréquences plus élevées - un avantage inestimable lors de la conception d'applications d'électronique de puissance.

Les MOSFET SiC et les diodes Schottky MPS de GeneSiC prennent en charge la conversion d'énergie à grande vitesse et à haut rendement dans diverses applications telles que la recharge des véhicules électriques/le stockage d'énergie, le réseau électrique, la récolte/génération d'énergie solaire/éolienne, les entraînements de moteur et les systèmes d'automatisation industrielle. Grâce à la robustesse à la température, à la résistance aux radiations et à d'autres caractéristiques offertes par ces composants, les concepteurs peuvent créer des solutions fiables et rentables dans des formats plus petits que ceux des équivalents en silicium.