Le carbure de silicium (SiC) est devenu un matériau essentiel pour l'électronique de puissance de nouvelle génération, les systèmes à haute température et les dispositifs à haute fréquence. Ce qui rend le SiC unique, c'est qu'il peut cristalliser en de nombreux polytypes—plus de 200 ont été identifiés—même s'ils partagent tous la même formule chimique. Parmi ceux-ci, 4H-SiC et 6H-SiC sont de loin les plus importants sur le plan commercial.

De l'extérieur, ils semblent similaires : les deux sont des polytypes hexagonaux avec une conductivité thermique élevée, une forte liaison covalente et de larges bandes interdites. Cependant, de subtiles différences dans l'empilement atomique leur confèrent des comportements électroniques distincts et déterminent leur utilisation dans les dispositifs à semi-conducteurs.

Cet article fournit une explication claire et originale de la façon dont 4H-SiC et 6H-SiC diffèrent en termes de structure cristalline, de propriétés physiques et d'applications pratiques.

1. Pourquoi le SiC forme différents polytypes

Le SiC est composé de couches alternées de silicium et de carbone. Bien que chaque couche ait la même disposition atomique, leur ordre d'empilement peut changer. Cette séquence d'empilement est ce qui génère différents polytypes.

Une simple analogie consiste à empiler des cartes à jouer identiques selon différents motifs décalés. Les cartes ne changent pas, mais la forme générale change.

Dans le SiC :

• un motif répétitif court crée un polytype comme 4H,

• tandis qu'un motif plus long crée 6H.

Même de si petits changements structurels suffisent à modifier la structure de bande, les niveaux d'énergie et la mobilité des porteurs.

2. Comparaison de la structure cristalline

4H-SiC

• La séquence d'empilement se répète tous les quatre couches

• La symétrie cristalline est hexagonale

• La constante de réseau de l'axe C est d'environ 10,1 Å

En raison de sa séquence d'empilement plus courte et plus uniforme, le cristal résultant présente moins d'anisotropie et des propriétés électroniques plus cohérentes dans différentes directions.

6H-SiC

• La séquence d'empilement se répète tous les six couches

• Symétrie cristalline hexagonale

• La constante de réseau de l'axe C est d'environ 15,1 Å

La distance de répétition plus longue crée de multiples sites atomiques non équivalents, ce qui rend la structure de bande plus complexe et conduit à une mobilité des porteurs dépendant de la direction.

3. Bande interdite et propriétés électroniques

4H-SiC offre :

• une bande interdite plus élevée

• un champ de claquage plus élevé

• un transport d'électrons plus rapide

Ces caractéristiques le rendent particulièrement adapté aux dispositifs haute tension et haute fréquence.

Le 6H-SiC, bien qu'étant toujours un matériau à large bande interdite, présente une mobilité plus faible en raison de la séquence d'empilement plus complexe.

4. Caractéristiques thermiques et mécaniques

Les deux polytypes partagent les mêmes fortes liaisons covalentes Si–C, ce qui leur confère :

• une conductivité thermique élevée

• une excellente résistance mécanique

• une résistance aux radiations et à la corrosion chimique

Les valeurs de conductivité thermique sont similaires :

• 4H-SiC ≈ 4,9 W/cm·K

• 6H-SiC ≈ 4,7 W/cm·K

Les différences sont trop faibles pour influencer de manière significative la sélection des dispositifs.

5. Applications : où chaque polytype excelle

4H-SiC : la norme industrielle pour l'électronique de puissance

Le 4H-SiC est dominant dans :

• MOSFET

• Diodes Schottky

• Modules de puissance

• Interrupteurs haute tension

• Convertisseurs haute fréquence

Sa mobilité électronique et son champ de claquage supérieurs améliorent directement l'efficacité des dispositifs, la vitesse de commutation et la robustesse thermique. C'est pourquoi presque tous les dispositifs de puissance en SiC modernes sont basés sur le 4H-SiC.

6H-SiC : de niche mais toujours précieux

Le 6H-SiC est utilisé dans :

• Dispositifs micro-ondes

• Optoélectronique

• Substrats pour l'épitaxie GaN

• Photodétecteurs UV

• Applications de recherche spécialisées

Parce que ses propriétés électroniques varient avec la direction cristalline, il permet parfois des comportements matériels non réalisables avec le 4H-SiC.

6. Quel polytype les ingénieurs devraient-ils choisir ?

Si l'objectif est :

• une tension plus élevée

• un rendement plus élevé

• une fréquence de commutation plus élevée

• une perte de conduction plus faible

alors 4H-SiC est le choix évident.

Si l'application implique :

• la recherche sur les matériaux expérimentaux

• un comportement RF de niche

• la compatibilité des dispositifs hérités

alors 6H-SiC reste utile.

7. Conclusion

Bien que le 4H-SiC et le 6H-SiC partagent la même composition élémentaire, leurs différentes séquences d'empilement créent des paysages électroniques distincts. Pour l'électronique de puissance moderne, le 4H-SiC offre des performances supérieures et est devenu le polytype dominant de l'industrie. Pendant ce temps, le 6H-SiC continue de jouer un rôle important dans les domaines spécialisés de l'optoélectronique et de la RF.

La compréhension de ces différences structurelles et électroniques aide les ingénieurs à choisir le matériau le plus approprié pour les dispositifs à semi-conducteurs de nouvelle génération.