Plus de puissance, moins d’émissions: vers des dispositifs d’alimentation plus écologiques
L’électronique de puissance est à l’origine d’un grand nombre d’innovations clés qui seront cruciales pour la transition écologique de l’Europe. Utilisée pour convertir l’électricité, les applications «vertes» des dispositifs électroniques de puissance vont des voitures électriques aux systèmes d’énergie solaire. La conception de nouveaux matériaux joue un rôle important pour améliorer l’efficacité et la durabilité de ces dispositifs. Le semi-conducteur carbure de silicium cubique (3C-SiC) est apparu comme un candidat présentant un fort potentiel d’amélioration de l’efficacité énergétique des dispositifs fonctionnant à des tensions comprises entre 100 et 1 200 V. Le projet CHALLENGE (3C-SiC Hetero-epitaxiALLy grown on silicon compliancE substrates and 3C-SiC substrates for sustaiNable wide-band-Gap powEr devices), financé par l’UE, a désormais franchi des étapes décisives pour en faire une technologie commercialisable. «Nous avons mis au point une nouvelle technologie de création de grandes plaquettes de 3C-SiC, qui pourra être perfectionnée à l’avenir afin de réaliser un matériau commercial pour les dispositifs de puissance», explique Francesco La Via, directeur de recherche à l’Institut pour la microélectronique et les microsystèmes au Conseil national italien de la recherche, qui a accueilli le projet.
De meilleures performances
Les plaquettes sont produites par hétéroépitaxie, un processus par lequel un type de cristal est produit à la surface d’un autre type de cristal — dans ce cas, sur des substrats de silicium. L’équipe du projet a étudié les techniques de croissance du matériau et a pu mieux appréhender les raisons de l’apparition de défauts dans sa structure cristalline, ainsi que leur incidence sur les performances. Elle a pu surmonter un certain nombre d’obstacles technologiques qui empêchaient auparavant la croissance du 3C-SiC à grande échelle, afin de réduire le nombre de défauts et d’augmenter considérablement les performances et la fiabilité des matériaux. En développant un processus de réduction du stress thermique, CHALLENGE a réussi à faire croître des couches de 3C-SiC d’une épaisseur allant jusqu’à 300 microns. «Ce matériau n’avait encore jamais été cultivé à de telles épaisseurs, car la forte contrainte thermique entraînait des ruptures», précise Francesco La Via.
Des applications vertes
L’une des principales valeurs ajoutées du nouveau procédé réside dans son faible coût de production et sa haute efficacité énergétique. Les principales applications de la technologie développée dans le cadre du projet CHALLENGE sont les véhicules électriques et les onduleurs solaires, qui convertissent la production des panneaux solaires en courant pouvant être injecté dans le réseau. «Dans ces deux domaines d’application, l’adoption de la technologie 3C-SiC se traduira par une forte réduction de la dissipation de puissance, impliquant des avantages environnementaux considérables», souligne Francesco La Via. L’autonomie des voitures électriques en serait également améliorée, car la technologie pourrait augmenter la distance qu’elles parcourent avec la même charge. Dans le cas d’un déploiement à grande échelle, l’impact sur les efforts d’atténuation du changement climatique pourrait être énorme, selon Francesco La Via: «L’introduction du 3C-SiC sur le marché des dispositifs de puissance pourrait induire une réduction des émissions de dioxyde de carbone allant jusqu’à 6 millions de tonnes par an.» La mise effective de cette technologie sur le marché nécessitera néanmoins des efforts de recherche supplémentaires. Selon Francesco La Via, ces efforts devraient viser à améliorer encore la qualité du matériau à plusieurs niveaux, notamment la densité des défauts et les contraintes, et à améliorer notre compréhension des conditions requises pour construire des dispositifs performants. L’équipe impliquée dans le projet CHALLENGE travaille actuellement sur plusieurs initiatives de suivi afin de transformer les résultats du projet en progrès tangibles.
Mots‑clés
CHALLENGE, carbure de silicium cubique, 3C-SiC, hétéroépitaxie, voitures électriques, onduleurs solaires, dispositifs électroniques de puissance, transition écologique
