Des progrès ont été réalisés dans l'étude des monocristaux de carbure de silicium de 8 pouces.

Les caractéristiques d'une couche épitaxiale de SiC de haute qualité exigent une structure cristalline d'une grande pureté et une faible densité de défauts afin de garantir la fiabilité des composants en SiC. La surface de cette couche, dotée d'une topographie optimale, doit être plane et lisse, sans aspérités ni particules d'impuretés, ce qui contribue à améliorer la stabilité des composants. Les éléments dopants doivent être uniformément répartis dans la couche épitaxiale afin d'assurer la constance des performances électriques des composants. L'obtention d'une couche épitaxiale de SiC de haute qualité requiert des technologies de croissance avancées et une maîtrise rigoureuse du procédé.

Le carbure de silicium (SiC) est un semi-conducteur composé à large bande interdite présentant une rigidité diélectrique élevée (environ 10 fois supérieure à celle du silicium), une vitesse de dérive électronique saturée élevée (environ 2 fois supérieure à celle du silicium) et une conductivité thermique élevée (3 fois supérieure à celle du silicium et 10 fois supérieure à celle de l'arséniure de gallium). Comparés aux dispositifs similaires à base de silicium, les dispositifs en SiC offrent de nombreux avantages : résistance aux hautes températures et aux hautes tensions, excellentes caractéristiques en haute fréquence, rendement de conversion élevé, dimensions réduites et poids léger. Ils présentent un fort potentiel d'application dans les véhicules électriques, le transport ferroviaire, le transport et la transformation d'énergie à haute tension, le photovoltaïque, la 5G et d'autres domaines. La fabrication de dispositifs en SiC repose sur des substrats monocristallins de SiC de haute qualité, à faible coût et de grande taille. La maîtrise des technologies de croissance et de traitement des cristaux de SiC, assortie de droits de propriété intellectuelle indépendants, constitue un axe de recherche majeur dans les domaines connexes.

Depuis 1999, l'équipe de recherche de Chen Xiaolong, du Laboratoire clé des matériaux avancés et de l'analyse structurale de l'Institut de physique de l'Académie chinoise des sciences/Centre national de recherche de Pékin pour la physique de la matière condensée, a étudié de manière systématique, grâce à une approche novatrice, les lois fondamentales de la thermodynamique et la dynamique de croissance des cristaux de SiC à l'aide d'un équipement de croissance développé en interne. Elle a ainsi élucidé le mécanisme de formation des transitions de phase et des défauts lors de la croissance cristalline. L'équipe a proposé des méthodes de contrôle des défauts et de la résistivité, ainsi que des techniques d'expansion, et a développé une série de technologies clés, depuis l'équipement de croissance jusqu'à la production et au traitement de cristaux de SiC de haute qualité. Le diamètre des cristaux de SiC est ainsi passé de moins de 10 mm (2000) à 50 mm (2005). En 2006, l'équipe a joué un rôle de premier plan dans l'industrialisation des monocristaux de SiC en Chine, en valorisant les résultats de la recherche au sein de Beijing Tianke Heda Semiconductor Co., LTD. et en développant avec succès des monocristaux de SiC de 4 pouces (2010) et de 6 pouces (2014) grâce à une collaboration étroite entre l'industrie, le monde universitaire et la recherche. Aujourd'hui, Beijing Tianke Heda assure la production et la commercialisation en série de substrats de SiC de 4 à 6 pouces et figure parmi les principaux fournisseurs internationaux de plaquettes conductrices de SiC.

Le coût d'un dispositif SiC est principalement déterminé par le substrat, l'épitaxie, la plaque de coulée, le système d'étanchéité et d'autres éléments. Le substrat représente jusqu'à 45 % de ce coût. Afin de réduire le coût unitaire et d'augmenter la taille des substrats SiC, la principale solution consiste à multiplier les dispositifs par substrat. Un substrat SiC de 8 pouces présente un avantage économique considérable par rapport à un substrat de 6 pouces. Bien qu'un substrat monocristallin SiC de 8 pouces ait été développé avec succès à l'échelle internationale, aucun produit n'a encore été commercialisé.

La difficulté de la croissance de cristaux de SiC de 8 pouces réside dans deux points : tout d'abord, le développement d'un germe cristallin de 8 pouces ; ensuite, la résolution des problèmes d'hétérogénéité du champ thermique et de distribution et transport des matériaux en phase gazeuse, induits par la grande taille du cristal ; et enfin, la résolution du problème de fissuration cristalline causée par l'augmentation des contraintes. S'appuyant sur les recherches existantes, en 2017, Chen Xiaolong, Yang Naiji, doctorant, Li Hui, chercheur associé, et Wang Wenjun, ingénieur en chef, ont entrepris l'étude d'un cristal de SiC de 8 pouces. Grâce à des recherches continues, ils ont maîtrisé la distribution du champ thermique à température ambiante et les caractéristiques de transport des gaz à haute température lors de la croissance de ce cristal. En utilisant un germe cristallin de SiC de 6 pouces, ils ont conçu un dispositif favorisant son expansion et sa croissance. Le problème de la nucléation polycristalline en périphérie des germes lors de l'expansion du diamètre a été résolu. Un nouveau type de dispositif de croissance a été conçu pour améliorer l'efficacité du transport des matières premières. Après de nombreuses itérations, la taille du cristal de SiC a été progressivement augmentée. En améliorant le processus de recuit, les contraintes dans le cristal sont réduites et la fissuration de celui-ci est inhibée. Un cristal de SiC de 8 pouces a été initialement cultivé sur un substrat développé en interne en octobre 2021.

La mise au point réussie d'un monocristal conducteur de SiC de 8 pouces constitue une nouvelle avancée majeure de l'Institut de physique dans le domaine des semi-conducteurs à large bande interdite. La valorisation des résultats de cette recherche et développement contribuera à renforcer la compétitivité internationale des substrats monocristallins de SiC chinois et à favoriser le développement rapide de l'industrie chinoise des semi-conducteurs à large bande interdite.

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