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Le carbure de silicium est un matériau semi conducteur à large bande interdite qui cristallise sous différentes formes appelées polytypes. Ses propriétés physiques intrinsèques (notamment en termes de propriétés électroniques et thermiques) en font un matériau à très fort potentiel. On dispose actuellement de substrats commerciaux de bonne qualité dans les polytypes hexagonaux 4H et 6H, jusqu’à 100mm de diamètre, mais la méthode d’élaboration par sublimation à très haute température, requise pour leur obtention, est un procédé couteux qui entraine un prix d’achat élevé de ces substrats et limite le champ d’applications possibles.

Bien que le polytype cubique (3C-SiC) ne soit toujours pas disponible en matériau massif, il est le seul à pouvoir être hétéroépitaxié sur un substrat hôte peu onéreux, par la méthode de croissance en phase vapeur (CVD), ce qui le rend particulièrement attractif pour viser un spectre plus large d’applications à faible coût.

Mais l’hétéroépitaxie de 3C-SiC sur silicium se heurte à deux problèmes majeurs qui freinent le développement d’une filière 3C-SiC hétéroépitaxié. D’abord, l’écart de paramètre de maille entre le SiC et le Si est responsable de la formation de dislocations à l’interface Si/SiC qui se propagent dans le film et sont préjudiciables pour la réalisation de composés électroniques. Par ailleurs, du fait de la différence entre les coefficients de dilatation thermique entre les deux matériaux, les films épitaxiés présentent une contrainte résiduelle plus ou moins forte qui se traduit par une déformation des plaques et limitent leur utilisation au sein de plateformes technologiques.

L’activité du groupe SiC du CRHEA, fondée en 1996 par André Leycuras, se focalise sur l’élaboration et l’optimisation du polytype cubique 3C hétéroépitaxié sur silicium et également sur le développement de réacteurs de croissance spécialement adaptés pour ce matériau.
Les travaux menés au sein du groupe SiC du CRHEA s’articulent autour de travaux fondamentaux et de développements technologiques pour répondre au mieux à ces problèmes et pouvoir intégrer le matériau 3C-SiC dans plusieurs champs d’application dans lesquels le matériau s’avère particulièrement prometteur :

• Il s’agit d’abord du domaine de la micro électronique de puissance pour lequel la réalisation de films de 3C-SiC hétéropitaxiés sur silicium de quelques µm d’épaisseur est nécessaire à la fabrication de composants redresseurs 600V et plus (diodes Schottky, jonctions pn). Aujourd’hui, des tels composants à base de SiC hexagonal massif (polytype 4H) sont disponibles mais onéreux en raison du coût important d’élaboration du matériau. Le développement de la filière 3C représente donc un intérêt économique majeur.
• Le 3C-SiC présente également un meilleur accord de maille que le silicium pour la croissance d’autres semi conducteurs à fort potentiel développés au sein du laboratoire (GaN, ZnO). Il représente une alternative à l’épitaxie de ces matériaux qui se fait usuellement sur silicium, saphir ou SiC hexagonal massif.
• Enfin, la maîtrise du 3C-SiC est un atout pour le développement de composés MEMS et NEMS en raison de l’opérabilité du SiC dans des environnements agressifs (hautes températures notamment) pour lesquels l’utilisation du silicium n’est pas adaptée.

Le développement du matériau se fait par Epitaxie en Phase Vapeur sur des substrats de silicium de différentes orientations cristallographiques. Le groupe interagit fortement avec différents laboratoires de recherche publique et entretient un partenariat étroit avec la société NOVASiC depuis 2001.

Contact : Marc Portail