Le carbure de silicium (SiC), matériau de base des semi-conducteurs de troisième génération, révolutionne de nombreux domaines grâce à ses excellentes propriétés physiques et électriques. Le tableau suivant résume ses principales applications et avantages pour un aperçu rapide :
Domaines d’application Principaux scénarios d’application Avantages du carbure de silicium (SiC) Exemples de technologies/produits associés
Véhicules à énergie nouvelle Onduleur d’entraînement principal, chargeur embarqué (OBC), convertisseur CC-CC Améliore l’efficacité, augmente l’autonomie (jusqu’à 6 % 8, semble-t-il) et réduit le poids et le volume du système Modules hybrides SiC1, MOSFET SiC
Infrastructure de charge Stations de charge rapide CC Améliore l’efficacité de la charge, prend en charge la charge rapide haute puissance et réduit le temps de charge
Production d’énergie photovoltaïque et stockage d’énergie Onduleurs PV, convertisseurs de stockage d’énergie (PCS) Améliore l’efficacité de la conversion photoélectrique (les diodes SiC pourraient augmenter de 1,5 % à 2 % par rapport aux systèmes à base de silicium 6), réduit les pertes du système et augmente la densité de puissance Diodes SiC6, MOSFET SiC
Alimentations industrielles et centres de données Alimentations de serveurs, alimentations de télécommunications, alimentations sans interruption (UPS) Améliore l’efficacité énergétique, augmente la densité de puissance et réduit la consommation d’énergie et les exigences de dissipation thermique MOSFET SiC 650 V de Toshiba
Communications 5G et dispositifs RF Amplificateurs de puissance RF, filtres, etc. Dispositifs semi-conducteurs RF semi-isolants à base de carbure de silicium avec d’excellentes performances à haute fréquence, haute température et haute puissance.
Dispositifs portables intelligents et guides d’ondes optiques/RA : Guides d’ondes diffractifs pour lunettes de réalité augmentée et lentilles ultra-fines. Un indice de réfraction élevé, une dureté élevée et une conductivité thermique élevée permettent des champs de vision larges, une imagerie couleur, l’élimination des artéfacts optiques et contribuent à l’amincissement et à l’allègement des dispositifs (par exemple, lentilles de réalité augmentée de 0,55 mm d’épaisseur) ainsi qu’à la réduction des coûts (le coût des substrats devrait baisser significativement à l’avenir). Substrats semi-isolants de haute pureté fabriqués à partir de lingots de carbure de silicium de 30 cm et guides d’ondes diffractifs ultra-fins en carbure de silicium.
Transport ferroviaire et réseau intelligent : convertisseurs de traction, transformateurs électroniques de puissance (TEP) et transport de courant continu haute tension. Une tension de tenue élevée et de faibles pertes améliorent l’efficacité et la fiabilité du système.
Principaux types de dispositifs en carbure de silicium
Le carbure de silicium est principalement utilisé dans l’industrie des semi-conducteurs pour fabriquer les dispositifs suivants, qui constituent la base des applications susmentionnées :
MOSFET en carbure de silicium (transistors à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur) : Particulièrement adaptés aux applications haute fréquence, haute tension et haut rendement, comme l’onduleur principal des véhicules à énergie nouvelle. La technologie actuelle permet une faible résistance à l’état passant (par exemple, la plateforme MOS SiC de troisième génération de Yangjie Technology affiche une résistance à l’état passant inférieure à 3,33 mΩ.cm²³) et un fonctionnement à haute température (par exemple, la série de MOSFET CoolSiC™ G2 d’Infineon peut fonctionner à 175 °C en régime normal et à 200 °C en surcharge).
Diodes en carbure de silicium (principalement diodes à barrière Schottky (SBD)) : Présentant pratiquement aucun courant de récupération inverse, elles sont particulièrement adaptées aux applications de commutation haute fréquence, telles que les onduleurs photovoltaïques et les chargeurs embarqués, réduisant considérablement les pertes de commutation.
Modules en carbure de silicium : Plusieurs puces en carbure de silicium (telles que des MOSFET et des diodes) sont intégrées et conditionnées pour former un module de puissance. Par exemple, le module d’entraînement principal des véhicules à énergies nouvelles (VEN) offre des avantages tels qu’une densité de puissance plus élevée et une fiabilité accrue.
🔧 Principaux avantages du carbure de silicium
La capacité du carbure de silicium à provoquer ces révolutions provient de ses propriétés matérielles exceptionnelles :
Intensité de champ de claquage élevée : cela permet aux dispositifs en carbure de silicium de fonctionner à des tensions plus élevées, ce qui les rend adaptés aux applications haute tension.
Conductivité thermique élevée : facilite la dissipation de la chaleur, permettant aux appareils de fonctionner à des températures plus élevées et simplifiant les systèmes de refroidissement.
Vitesse de dérive de saturation électronique élevée : permet aux dispositifs SiC de fonctionner à des fréquences plus élevées, réduisant ainsi la taille et le poids des composants passifs (tels que les inducteurs et les condensateurs) du système.
Large bande interdite : offre aux dispositifs SiC une excellente stabilité à haute température et une excellente résistance aux rayonnements.
🌐 État actuel du développement de l’industrie du SiC
L’industrie du SiC connaît une croissance et une expansion rapides :
Croissance continue du marché : le marché des dispositifs de puissance SiC devrait dépasser 10,3 milliards de dollars américains d’ici 2030, avec un taux de croissance annuel composé (TCAC) supérieur à 20 % au cours des cinq prochaines années.
Mises à niveau technologiques : la taille des plaquettes passe des 6 pouces classiques aux 8 pouces (ce qui peut réduire les coûts unitaires de plus de 30 %) et aux plaquettes de 12 pouces.
Amélioration progressive de la chaîne industrielle : les entreprises nationales développent et progressent activement dans les domaines des substrats, de l’épitaxie, de la conception d’appareils, de la fabrication et du conditionnement de modules.
Tendances des coûts : Avec l’amélioration de la qualité des matériaux, des tailles de plaquettes plus grandes, des processus de fabrication améliorés et l’expansion de l’échelle industrielle, le coût des dispositifs en carbure de silicium diminue progressivement, ouvrant la voie à une application à grande échelle dans un plus large éventail de domaines.
💎 Résumé
Grâce à leurs propriétés physiques et électriques supérieures, les semi-conducteurs en carbure de silicium deviennent un moteur essentiel de l’innovation et des améliorations dans les véhicules à énergies nouvelles, les énergies renouvelables, les alimentations industrielles, les communications 5G et l’électronique grand public. Bien que le coût de fabrication actuel des composants en carbure de silicium (notamment les MOSFET) soit relativement élevé et que les exigences de procédé soient strictes, grâce aux avancées technologiques continues, au développement continu de l’industrie et à son expansion continue, les coûts devraient continuer à baisser et leurs perspectives d’application sont prometteuses.