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Carbone de silicium : alimenter la révolution de l’énergie verte
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L’essor du carbure de silicium à l’ère du silicium
Dans un avenir très lointain, les historiens pourraient désigner notre époque comme l’Âge du silicium. À première vue, cela semble dû aux puces de silicium omniprésentes dans nos ordinateurs, smartphones, appareils électroménagers et peut‑être bientôt même nos cerveaux.
Mais ce n’est pas la seule utilisation du silicium, un matériau abondant que l’on trouve dans le sable ordinaire. Le polysilicium est le composant de base de la plupart des panneaux solaires, qui nous rapprochent d’une économie alimentée par le solaire.
Un nouveau type de matériau à base de silicium devient tout aussi important, mais souvent moins connu des investisseurs et du grand public : le carbure de silicium.
Cette association de silicium et de carbone est supérieure au silicium seul sur certaines caractéristiques clés :
- Une capacité de champ électrique 10 fois supérieure, lui permettant de gérer des charges électriques très importantes.
- En conséquence, les dispositifs en carbure de silicium peuvent être plus petits et s’allumer et s’éteindre plus rapidement.
- 3 fois la conductivité thermique du silicium « normal », permettant une dissipation de chaleur beaucoup plus rapide lorsqu’il est soumis à de fortes charges.
- Des pertes beaucoup plus faibles entraînent une meilleure efficacité et encore moins de production de chaleur indésirable.
En raison de ces propriétés, le carbure de silicium est devenu essentiel dans toute application nécessitant une utilisation à haute puissance et l’électronique : onduleurs solaires, véhicules électriques, alimentation industrielle, etc.
Carbure de silicium 101
Le carbure de silicium, également appelé carbure ou SiC, se trouve naturellement dans les météorites, mais presque nulle part ailleurs sur Terre.
Source: Global IMI
Le matériau se présente sous de nombreuses formes cristallines différentes, jusqu’à 200 structures distinctes, chacune présentant des caractéristiques chimiques et physiques légèrement différentes.
Source: MRF
En ce qui concerne la conductivité électrique et thermique, le carbure de silicium surpasse largement le silicium dans presque toutes les mesures possibles.
Source: MRF
Production du carbure de silicium
La production en masse du carbure de silicium est relativement simple et a été brevetée pour la première fois en 1893, en utilisant une méthode appelée four à lots électrique. Le procédé chauffe simultanément un mélange de silice (sable) et de carbone (charbon de houille) à des températures très élevées, généralement entre 1 600 °C et 2 500 °C (2 900 °F‑4 500 °F).
L’azote et l’aluminium sont des impuretés courantes de ce processus de fabrication, mais ils affectent la conductivité électrique du SiC.
Les méthodes alternatives, principalement utilisées pour la production de composants électroniques nécessitant des niveaux de pureté plus élevés, sont le transport physique en phase vapeur (PVT), le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) ou l’épitaxie en phase liquide (LPE).
Ces méthodes diffèrent dans la façon dont le carbure de silicium est fourni, mais partagent toutes l’idée de produire un cristal initial puis de le faire croître. Le grand cristal est ensuite découpé en tranches extrêmement fines pour former des plaquettes de carbure de silicium, de manière similaire aux plaquettes de silicium utilisées dans la production électronique.
Source: MRF
Dans l’ensemble, le processus de fabrication du carbure de silicium et sa chaîne d’approvisionnement sont très similaires à ceux de l’industrie du silicium, avec des CVD, des plaquettes, etc.
En raison des plus de 200 formes cristallines que le matériau peut prendre, le processus de production doit être testé et un calcul précis réalisé pour la production à grande échelle. Les informations relatives à ces processus sont généralement propriétaires aux entreprises individuelles, de sorte que la R&D est nécessaire lors des premières étapes de création d’un processus spécifique de fabrication du carbure de silicium.
La moitié de la production mondiale de carbure de silicium se situe en Chine, et la capacité de production devrait presque quadrupler entre le niveau de 2023 et 2027.
Source: McKinsey
Marchés du carbure de silicium
Le carbure de silicium reste un petit marché en 2024, ne valant que 4,2 milliards de dollars. On s’attend toutefois à ce qu’il croisse extrêmement rapidement à un TCAC de 34,5 %, atteignant 80,2 milliards de dollars d’ici 2034.
Source: Markets & Markets
Les applications d’énergie (modules SiC) sont celles d’où proviendra la majeure partie de la croissance, augmentant la demande globale de carbure de silicium.
Le marché peut être divisé entre le carbure de silicium noir (avec des impuretés métalliques) et le carbure de silicium vert (SiC haute pureté).
Le carbure de silicium noir est principalement produit pour les abrasifs bon marché, tandis que le carbure de silicium vert ou la production directe de cristal (« autres types ») constitue la matière première utilisée pour les applications haute technologie.
Source: Global Market Insights
Dans les applications d’énergie, les véhicules électriques et les autres véhicules verts (hybrides, piles à combustible, etc.) devraient être le principal moteur de la demande accrue de carbure de silicium.
Source: McKinsey
| Secteur | Utilisation du SiC | Avantage |
|---|---|---|
| Véhicules électriques | Onduleurs, chargeurs, contrôle de puissance | Efficacité supérieure, autonomie accrue, charge rapide |
| Énergie solaire | Onduleurs à base de SiC | Efficacité accrue, empreinte plus petite |
| Aérospatiale | Boucliers thermiques, miroirs | Résistance thermique, faible dilatation |
| Robotique & centres de données | Électronique de puissance, entraînements de moteurs | Moins de pertes d’énergie, miniaturisation |
| Défense & sécurité | Plaques d’armure, systèmes de freinage | Dureté, résistance à la chaleur et aux impacts |
Applications du carbure de silicium
Carbure de silicium dans les véhicules électriques
De loin l’application la plus importante du carbure de silicium dans la prochaine décennie, l’électronique de puissance est le domaine où ce matériau est le plus irremplaçable.
La plus grande sous‑section de cette catégorie est les véhicules électriques, qui devraient croître de 31 % par an. Le SiC n’est pas seulement présent dans l’électronique de puissance et les contrôleurs, mais aussi dans la batterie, le système de surveillance et les chargeurs, tant dans la voiture que dans la station de charge.
Source: EV Mechanica
Déjà en 2023, il a été démontré qu’un onduleur en carbure de silicium peut augmenter l’autonomie d’un VE de 7 %. Depuis, de nombreux nouveaux modèles de VE ont commencé à intégrer davantage de composants SiC.
La croissance de la demande provenant du segment des VE pourrait même être sous‑estimée dans le cas d’une transition vers l’électrique pour les véhicules lourds comme les camions, qui nécessiteront un système de charge beaucoup plus puissant et des packs de batteries suffisants pour alimenter des dizaines de VE.
Le carbure de silicium est également essentiel pour les « superchargeurs », un élément clé pour résoudre un point de résistance dans l’adoption des VE, avec pour objectif de réduire le temps de charge à quelques minutes seulement.
Le stress thermique moindre et une alimentation plus constante devraient également contribuer à la longévité des batteries.
Rôle du carbure de silicium dans l’énergie verte et le solaire
Les onduleurs à base de SiC pour l’énergie solaire peuvent atteindre jusqu’à 99 % d’efficacité, contre seulement 96‑98 % pour les onduleurs traditionnels à base de silicium. Bien que cela semble peu, cela peut représenter une grande quantité d’énergie supplémentaire sur la durée de vie d’une installation solaire.
Le carbure de silicium est également beaucoup plus résistant à la chaleur, capable de supporter des températures allant jusqu’à 300 °C, alors que les dispositifs en silicium sont généralement limités à 150 °C, et 10 fois la tension.
Dans l’ensemble, les onduleurs SiC sont plus efficaces, plus durables, plus compacts et moins chers que les anciens onduleurs à base de silicium.
Autres utilisations haute technologie du carbure de silicium
Le carbure de silicium est également de plus en plus utilisé dans de nombreuses applications comme la robotique, où les performances supérieures du SiC permettent au moteur d’être plus petit et placé directement dans les articulations, réduisant considérablement la complexité et le câblage nécessaires.
Source: Arrow
Ils gagnent également en importance dans les centres de données, où les puces de plus en plus puissantes et la demande énergétique de l’IA nécessitent une alimentation et une électronique de contrôle plus robustes que le silicium ne peut offrir.
Un cristal de carbure de silicium a été utilisé pour créer la première LED en 1907. Il a ensuite été produit en masse tant dans les pays occidentaux que dans l’Union soviétique dans les années 1970 et 1980. Il a ensuite été remplacé par le nitrure de gallium, avec une lumière 10 à 100 fois plus brillante, conduisant à l’adoption massive des LED aujourd’hui.
Le SiC est toutefois toujours utilisé dans les LED, comme substrat sur lequel le nitrure de gallium est déposé, et pour dissiper la chaleur dans les LED puissantes.
Abrasifs
Le SiC est un matériau très dur, ce qui le rend utile comme abrasif dans les meules, le papier de verre et d’autres produits abrasifs pour le meulage de matériaux tels que les métaux et les céramiques. C’est généralement le SiC noir de qualité inférieure, moins cher et riche en impuretés qui est utilisé pour ces applications.
Les grades supérieurs de SiC sont utilisés dans les outils de coupe, tirant également parti de la dureté extrêmement élevée de ce matériau, mais avec une pureté plus élevée le rendant encore plus résistant et moins fragile.
Matériaux protecteurs
La combinaison d’une dureté élevée et d’une résistance thermique fait également du SiC un matériau important dans d’autres applications. Il est généralement fritté (fusion partielle) en céramiques dures.
Une application est la production de plaques d’armure balistique en céramique, notamment les plaques d’armure corporelle personnelle, où le SiC détient 27 % du marché, mais aussi dans l’armure d’hélicoptères.
Ces céramiques durcies sont également utilisées dans les freins de voitures et les embrayages.
Les céramiques en carbure de silicium sont également utilisées dans les applications aérospatiales, par exemple dans la couche externe de protection thermique du bouclier thermique gonflable LOFTID de la NASA.
Une autre application spatiale du SiC est la fabrication de télescopes astronomiques, le dépôt chimique en phase vapeur permettant la création d’un grand disque de SiC utilisé comme miroirs dans les télescopes. La faible dilatation thermique peut également servir de cadre pour la machinerie très précise des télescopes.
Catalyse chimique
La haute réactivité du carbure de silicium à l’électricité en fait un candidat potentiel pour de nouvelles formes d’électrocatalyse. Ces réactions reposent généralement sur une forme de cristaux de carbure de silicium appelée carbure de silicium cubique, avec une surface plus grande.
Par exemple, il a récemment été découvert comme un bon candidat pour améliorer la photocatalyse de l’hydrogène, ou la décomposition directe de l’eau en hydrogène grâce à la lumière du soleil.
Le carbure de silicium cubique peut également être utilisé comme support catalytique pour l’oxydation des hydrocarbures.
Enfin, le carbure de silicium pourrait être utilisé pour faire pousser des semi-conducteurs en graphène.
Énergie nucléaire
Le carbure de silicium possède une très forte capacité à absorber les neutrons, il est donc utilisé comme gainage pour le combustible nucléaire, ainsi que pour contenir les déchets nucléaires.
Les capteurs SiC sont utilisés pour surveiller les niveaux de radiation dans les installations nucléaires et d’autres applications de détection de rayonnements (environnement, milieu médical, etc.).
La résistance du SiC aux radiations et aux variations thermiques en fait un bon matériau pour les réacteurs nucléaires destinés à l’espace, un domaine en pleine expansion avec les projets de la NASA et d’autres nations pour la Lune et éventuellement des bases martiennes.
Bijoux
Un cristal à base de carbone, le SiC partage de nombreuses caractéristiques avec le diamant (carbone pur), et est connu sous le nom de « moissanite synthétique » dans la bijouterie. Il peut être facilement confondu avec des diamants.
Source: MRF
Atténuer les risques liés aux terres rares avec le SiC
Alors que les guerres commerciales, les tarifs et les sanctions perturbent les relations commerciales États‑Unis‑Chine, l’industrie automobile est confrontée à un problème très sérieux de risque d’épuisement des matériaux de terres rares fabriqués en Chine, avec, par exemple, Ford fermant une usine.
“C’est au jour le jour. Nous avons dû fermer des usines. C’est la survie au jour le jour en ce moment.”
Jim Farley – PDG de Ford
C’est un domaine où le SiC peut aider, grâce au carbure de silicium qui permet des moteurs synchrones à excitation séparée, éliminant ainsi le besoin d’aimants permanents nécessitant des terres rares.
Ainsi, d’une part, les entreprises de carbure de silicium pourraient souffrir si la chaîne d’approvisionnement des VE était gravement perturbée, mais d’autre part, leurs produits pourraient être davantage adoptés dans les nouveaux modèles de VE à l’avenir, afin de réduire la dépendance aux approvisionnements chinois en terres rares.
Conclusion
Le carbure de silicium n’est pas un matériau nouveau, mais la production en masse d’électroniques ultra‑pures et miniatures fabriquées à partir de celui‑ci, avec des propriétés électriques largement supérieures, l’est.
Il a ouvert la porte à de nombreuses nouvelles applications, actuellement largement adoptées pour remplacer les solutions à base de silicium plus anciennes dans un large éventail d’industries en forte croissance, notamment les VE et l’énergie solaire.
Plus l’industrie mondiale et le transport s’électrifient, plus le carbure de silicium sera nécessaire, car une demande de puissance plus intense requiert des chargeurs plus puissants, des batteries et des contrôleurs pour permettre une charge rapide et sûre, des batteries plus durables, etc.
En plus de ces applications, la production massive de SiC et l’amélioration des méthodes de fabrication devraient réduire ses coûts de production. En conséquence, d’autres applications comme l’armure, les boucliers thermiques, l’aérospatiale et les outils devraient commencer à adopter le SiC plus fréquemment.
Enfin, de nouveaux domaines d’application potentiels s’ouvrent encore, notamment la possibilité d’utiliser le carbure de silicium pour la production d’hydrogène vert.
Dans l’ensemble, le carbure de silicium devrait devenir beaucoup plus connu du grand public à l’avenir. Avec un TCAC prévu entre 20 % et 30 % pour la prochaine décennie, les investisseurs pourraient vouloir prêter attention à cette petite mais rapidement croissante sous‑section de l’industrie des semi‑conducteurs.
Entreprises du carbure de silicium
ON Semi
ON Graphique du prix
ON Semi est une entreprise de semi‑conducteurs spécialisée dans l’électrification, y compris dans l’automobile, mais aussi dans d’autres secteurs comme l’énergie solaire, les batteries, l’aérospatiale, les télécommunications, les centres de données et le médical.
En tant que tel, c’est un partenaire clé pour de nombreuses grandes entreprises industrielles dans le monde.
Source: ON Semi
Une grande partie de l’avantage technologique d’ON Semi repose sur le carbure de silicium, notamment dans le cas de charges très élevées requises pour la charge rapide des VE.
La stratégie d’ON Semi de miser fortement sur le carbure de silicium a conduit l’entreprise à connaître une forte hausse de ses revenus ces dernières années, portée par la révolution des VE.
Source: ON Semi
Les capteurs en carbure de silicium sont à la fois plus économes en énergie et offrent de meilleures performances en conditions de faible luminosité, ce qui sera crucial pour construire des voitures autonomes sûres.
Les produits en carbure de silicium d’ON Semi sont également utilisés dans toutes les tailles d’installations d’énergie solaire, les centres de données et les capteurs de toutes sortes (ultrasoniques, électrochimiques, comme la surveillance de la glycémie, et la détection d’objets métalliques).
En suivant la tendance de l’électrification, ON Semi contrôle 10 % des revenus mondiaux du SiC, et est l’une des principales entreprises nord‑américaines du secteur, en concurrence avec les entreprises européennes Infineon (IFNNY) et la société de semi‑conducteurs plus large STMicroelectronics (STM ).
Source: McKinsey
Alors que les chaînes d’approvisionnement industrielles occidentales se relocalisent loin des approvisionnements chinois, ON Semi bénéficiera probablement grandement de la tendance à l’électrification, notamment dans les VE et les autres énergies vertes.
(Vous pouvez également lire un article plus long sur cette entreprise dans « On Semiconductor (ON): Silicon Carbide Powering Electrification»).
AEHR Graphique du prix
Aehr est une entreprise de semi‑conducteurs spécialisée dans le carbure de silicium.
Plus précisément, l’entreprise produit des équipements pour tester les plaquettes de carbure de silicium. Cela lui confère une présence dans le secteur automobile des VE, les smartphones, les puces informatiques et la photonique/télécommunication.
Source: Aehr
Cela fait d’Aehr une entreprise très niche et technique et un composant crucial de la chaîne d’approvisionnement. Elle affirme être « en passe de devenir la norme industrielle pour une étape de fabrication critique des semi‑conducteurs de puissance en carbure de silicium ».
Aehr développe également activement de nouveaux marchés, notamment le marché du burn‑in du nitrure de gallium, utilisé dans les applications à haute puissance comme les onduleurs photovoltaïques, le rendant présent dans les deux alternatives aux électroniques de puissance à base de silicium.
Cela donne à Aehr une base de clients très diversifiée, ressemblant au qui‑est‑qui de l’industrie des semi‑conducteurs et de l’outillage, incluant TSMC, Texas Instruments (TXN ), Seagate, Nvidia (NVDA ), Cisco, Qualcomm (QCOM ) et Bosch.
Source: Aehr
L’entreprise pourrait grandement bénéficier des nouveaux segments émergents de l’industrie des semi‑conducteurs, comme la photonique sur silicium.
En attendant, en occupant une petite et importante niche (tests de carbure de silicium) au sein d’une autre niche de la chaîne d’approvisionnement des VE (électronique de puissance en carbure de silicium), Aehr est bien placé pour profiter de la croissance du volume de production des VE, indépendamment de la dernière technologie de batterie, du modèle de voiture ou du changement des normes de prise de charge.
Après une flambée massive du cours de l’action en 2023, au pic de l’engouement pour toute action liée aux VE, l’entreprise retrouve aujourd’hui une valorisation plus raisonnable et représente une option « pick‑and‑shovel » pour les investisseurs du secteur du carbure de silicium.
