conception, réalisation et caractérisation d'un composant...

N° d’ordre : 01-ISAL-0017 Année 2001

THESE

Présentée devantL’INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE LYON

Pour obtenirLE GRADE DE DOCTEUR

FORMATION DOCTORALE : Dispositifs de l'Electronique IntégréeECOLE DOCTORALE : Electronique, Electrotechnique, Automatique

Par

Franck NALLETMaître ès Sciences

Conception, Réalisation et Caractérisation

d'un composant limiteur de courant en

carbure de silicium

Soutenue le 13 Juin 2001 devant la Commission d’Examen

Jury MM.

Jean Pierre CHANTE Professeur

André LHORTE Docteur

José MILLAN Professeur Rapporteur

Francis MISEREY Professeur Rapporteur

Dominique PLANSON Docteur Directeur

Bruno REYMOND Docteur

Cette thèse a été préparée au Laboratoire CEGELY de l'INSA de Lyon.

N° d’ordre : 01-ISAL-0017 Année 2001

THESE

Présentée devantL’INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE LYON

Pour obtenirLE GRADE DE DOCTEUR

FORMATION DOCTORALE : Dispositifs de l'Electronique IntégréeECOLE DOCTORALE : Electronique, Electrotechnique, Automatique

Par

Franck NALLETMaître ès Sciences

Conception, Réalisation et Caractérisation d'un

composant limiteur de courant en carbure de

silicium

Soutenue le 13 Juin 2001 devant la Commission d’Examen

Jury MM.

Jean Pierre CHANTE Professeur

André LHORTE Docteur

José MILLAN Professeur Rapporteur

Francis MISEREY Professeur Rapporteur

Dominique PLANSON Docteur Directeur

Bruno REYMOND Docteur

Cette thèse a été préparée au Laboratoire CEGELY de l'INSA de Lyon.

SEPTEMBRE 2000

ECOLES DOCTORALES ET DIPLOMES D'ETUDES APPROFONDIESHABILITES POUR LA PERIODE 1999-2003

ECOLES DOCTORALESN° code national

RESPONSABLEPRINCIPAL

CORRESPONDANTINSA

DEA INSAN° code national

RESPONSABLEDEA INSA

Chimie Inorganique910643

M. J.F. QUINSONTèl 83.51 Fax 85.28

Sciences et Stratégies Analytiques910634

CHIMIE DE LYON(Chimie, Procédés,

Environnement)

EDA206

M. D. SINOUUCBL1

04.72.44.62.63Sec. 04.72.44.62.64Fax. 04.72.44.81.60

M. P. MOSZKOWICZ83.45

Sec. 84.30Fax. 87.17

Sciences et Techniques du Déchet910675

M. P. MOSZKOWICZTèl 83.45 Fax 87.17

Ville et Sociétés911218

Mme M. ZIMMERMANNTèl 84.71 Fax 87.96

ECONOMIE ESPACE ETMODELISATION DESCOMPORTEMENTS

(E2MC)

EDA417

M. A. BONNAFOUSLYON 2

04.72.72.64.38Sec 04.72.72.64.03Fax 04.72.72.64.48

Mme M. ZIMMERMANN84.71

Fax 87.96Dimensions Cognitives et Modélisation

992678M. L. FRECON

Tèl 82.39 Fax 85.18

Automatique Industrielle910676

M. M. BETEMPSTèl 85.59 Fax 85.35

Dispositifs de l'Electronique Intégrée910696

M. D. BARBIERTèl 85.47 Fax 60.81

Génie Electrique de Lyon910065

M. J.P. CHANTETèl 87.26 Fax 85.30

ELECTRONIQUE,ELECTROTECHNIQUE,

AUTOMATIQUE(E.E.A)

EDA160

M. G. GIMENEZINSA de LYON

83.32Fax 85.26

Images et Systèmes992254

Mme I. MAGNINTèl 85.63 Fax 85.26

EVOLUTION, ECOSYSTEME,MICROBIOLOGIE,MODELISATION

(E2M2)

EDA403

M. J.P. FLANDROISUCBL1

04.78.86.31.50Sec 04.78.86.31.52Fax 04.78.86.31.49

M. S. GRENIER79.88

Fax 85.34

Analyse et Modélisation des SystèmesBiologiques

910509

M. S. GRENIERTèl 79.88 Fax 85.34

Documents Multimédia, Images etSystèmes d'Information Communicants

910509

M. A. FLORYTèl 84.66 Fax 85.97

Extraction des Connaissances à partirdes Données

992099

M. J.F. BOULICAUTTèl 89.05 Fax 87.13

INFORMATIQUE ETINFORMATION POUR LA

SOCIETE

EDA407

M. J.M. JOLIONINSA de LYON

87.59Fax 80.97

Informatique et Systèmes coopératifspour l'Entreprise

950131

M. A. GUINETTèl 85.94 Fax 85.38

INTERDISCIPLINAIRE SCIENCES-SANTE(EDISS)

EDA205

M. A.J. COZZONEUCBL1

04.72.72.26.72Sec 04.72.72.26.75Fax 04.72.72.26.01

M. M. LAGARDE82.40

Fax 85.24

Biochimie930032

M. M. LAGARDETèl 82.40 Fax 85.24

Génie des Matériaux : Microstructure,Comportement Mécanique, Durabilité

910527

M. R. FOUGERESTèl 83.85 Fax 88.30

Matériaux Polymères et Composites910607

M. H. SAUTEREAUTèl 81.78 Fax 85.27

MATERIAUX DE LYONUNIVERSITE LYON 1

EDA034

M. J. JOSEPHECL

04.72.18.62.44Sec 04.72.18.62.51Fax 04.72.18.60.90

M. J.Y. CAVAILLE88.03

Fax 85.28

Matière Condensée, Surfaces etInterfaces

910577

M. G. GUILLOTTèl 81.61 Fax 85.31

MATHEMATIQUES ETINFORMATION FONDAMENTALE

(Math IF)

EDA409

M. NICOLASUCBL1

04.72.44.83.11Fax 04.72.43.00.35

M. J. POUSIN88.36

Fax 85.29

Analyse Numérique, Equations auxdérivées partielles et CalculScientifique

910281

M. G. BAYADATèl 83.12 Fax 85.29

Acoustique910016

M. J.L. GUYADERTèl 80.80 Fax 87.12

Génie Civil992610

M. M. MIRAMONDTèl 82.16 Fax 87.10

Génie Mécanique992111

M. G. DALMAZTèl 83.03

Fax 04.78.89.09.80

MECANIQUE, ENERGETIQUE,GENIE CIVIL, ACOUSTIQUE

(MEGA)

EDA162

M. J. BATAILLEECL

04.72.18.61.56Sec 04.72.18.61.60Fax 04.78.64.71.45

M. M. MIRAMOND82.16

Fax 87.10

Thermique et Energétique910018

Mme M. LALLEMANDTèl 81.54 Fax 60.10

En grisé : Les Ecoles doctorales et DEA dont l'INSA est établissement principal

FEVRIER 2000

INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE LYONDirecteur : J. ROCHAT

Professeurs :AUDISIO S. PHYSICOCHIMIE INDUSTRIELLEBABOUX J.C. GEMPPM*BALLAND B. PHYSIQUE DE LA MATIEREBARBIER D. PHYSIQUE DE LA MATIEREBASTIDE J.P. THERMODYNAMIQUE APPLIQUEEBAYADA G. MODELISATION MATHEMATIQUE ET CALCUL SCIENTIFIQUEBERGER C. (Melle) PHYSIQUE DE LA MATIEREBETEMPS M. AUTOMATIQUE INDUSTRIELLEBLANCHARD J.M. LAEPSI***BOISSON C. VIBRATIONS-ACOUSTIQUEBOIVIN M. MECANIQUE DES SOLIDESBOTTA H. Equipe DEVELOPPEMENT URBAINBOTTA-ZIMMERMANN M. (Mme) Equipe DEVELOPPEMENT URBAINBOULAYE G. (Prof. émérite) INFORMATIQUEBRAU J. CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Thermique du bâtimentBRISSAU M. GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITEBRUNET M. MECANIQUE DES SOLIDESBRUNIE L. INGENIERIE DES SYSTEMES D’INFORMATIONBUREAU J.C. THERMODYNAMIQUE APPLIQUEECAVAILLE J.Y. GEMPPM*CHANTE J.P. CEGELY**** - Composants de puissance et applicationsCHOCAT B. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Hydrologie urbaineCOUSIN M. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - StructuresDOUTHEAU A. CHIMIE ORGANIQUEDUFOUR R. MECANIQUE DES STRUCTURESDUPUY J.C. PHYSIQUE DE LA MATIEREEMPTOZ H. RECONNAISSANCE DES FORMES ET VISIONESNOUF C. GEMPPM*EYRAUD L. (Prof. émérite) GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITEFANTOZZI G. GEMPPM*FAVREL J. PRISMa - PRoductique et Informatique des Systèmes ManufacturiersFAYARD J.M. BIOLOGIE APPLIQUEEFAYET M. MECANIQUE DES SOLIDESFERRARIS-BESSO G. MECANIQUE DES STRUCTURESFLAMAND L. MECANIQUE DES CONTACTSFLEISCHMANN P. GEMPPM*FLORY A. INGENIERIE DES SYSTEMES D’INFORMATIONFOUGERES R. GEMPPM*FOUQUET F. GEMPPM*FRECON L. INFORMATIQUEGERARD J.F. MATERIAUX MACROMOLECULAIRESGIMENEZ G. CREATIS**GONNARD P. GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITEGONTRAND M. CEGELY**** - Composants de puissance et applicationsGOUTTE R. (Prof. émérite) CREATIS**GRANGE G. GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITEGUENIN G. GEMPPM*GUICHARDANT M. BIOCHIMIE ET PHARMACOLOGIEGUILLOT G. PHYSIQUE DE LA MATIEREGUINET A. PRISMa - PRoductique et Informatique des Systèmes ManufacturiersGUYADER J.L. VIBRATIONS-ACOUSTIQUEGUYOMAR D. GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITEJACQUET RICHARDET G. MECANIQUE DES STRUCTURESJOLION J.M. RECONNAISSANCE DES FORMES ET VISIONJULLIEN J.F. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - StructuresJUTARD A. AUTOMATIQUE INDUSTRIELLEKASTNER R. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - GéotechniqueKOULOUMDJIAN J. INGENIERIE DES SYSTEMES D’INFORMATIONLAGARDE M. BIOCHIMIE ET PHARMACOLOGIELALANNE M. (Prof. émérite) MECANIQUE DES STRUCTURES

LALLEMAND A. CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Energétique et thermiqueLALLEMAND M. (Mme) CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Energétique et thermiqueLAREAL P. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - GéotechniqueLAUGIER A. PHYSIQUE DE LA MATIERELAUGIER C. BIOCHIMIE ET PHARMACOLOGIELEJEUNE P. GENETIQUE MOLECULAIRE DES MICROORGANISMESLUBRECHT A. MECANIQUE DES CONTACTSMARTINEZ Y. INGENIERIE INFORMATIQUE INDUSTRIELLEMAZILLE H. PHYSICOCHIMIE INDUSTRIELLEMERLE P. GEMPPM*MERLIN J. GEMPPM*MILLET J.P. PHYSICOCHIMIE INDUSTRIELLEMIRAMOND M. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Hydrologie urbaineMOREL R. MECANIQUE DES FLUIDESMOSZKOWICZ P. LAEPSI***NARDON P. (Prof. émérite) BIOLOGIE APPLIQUEENAVARRO A. LAEPSI***NOURI A. (Mme) MODELISATION MATHEMATIQUE ET CALCUL SCIENTIFIQUEODET C. CREATIS**OTTERBEIN M. (Prof. émérite) LAEPSI***PASCAULT J.P. MATERIAUX MACROMOLECULAIRESPAVIC G. VIBRATIONS-ACOUSTIQUEPELLETIER J.M. GEMPPM*PERA J. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - MatériauxPERACHON G. THERMODYNAMIQUE APPLIQUEEPERRIAT P. GEMPPM*J. PERRIN J. ESCHIL – Equipe SCiences Humaines de l’Insa de LyonPINARD P. (Prof. émérite) PHYSIQUE DE LA MATIEREPINON J.M. INGENIERIE DES SYSTEMES D’INFORMATIONPLAY D. CONCEPTION ET ANALYSE DES SYSTEMES MECANIQUESPOUSIN J. MODELISATION MATHEMATIQUE ET CALCUL SCIENTIFIQUEPREVOT P. GRACIMP – Groupe de Recherche en Apprentissage, Coopération et

Interfaces Multimodales pour la ProductiquePROST R. CREATIS**RAYNAUD M. CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Transferts Interfaces et

MatériauxREDARCE H. AUTOMATIQUE INDUSTRIELLEREYNOUARD J.M. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - StructuresRIGAL J.F. CONCEPTION ET ANALYSE DES SYSTEMES MECANIQUESRIEUTORD E. (Prof. émérite) MECANIQUE DES FLUIDESROBERT-BAUDOUY J. (Mme) (Prof. émérite) GENETIQUE MOLECULAIRE DES MICRO-ORGANISMESROUBY D. GEMPPM*ROUX J.J. CENTRE DE THERMIQUE DE LYONRUBEL P. INGENIERIE DES SYSTEMES D’INFORMATIONRUMELHART C. MECANIQUE DES SOLIDESSACADURA J.F. CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Transferts Interfaces et

MatériauxSAUTEREAU H. MATERIAUX MACROMOLECULAIRESSCAVARDA S. AUTOMATIQUE INDUSTRIELLETHOMASSET D. AUTOMATIQUE INDUSTRIELLETROCCAZ M. GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITEUNTERREINER R. CREATIS**VELEX P. MECANIQUE DES CONTACTSVIGIER G. GEMPPM*VINCENT A. GEMPPM*VUILLERMOZ P.L. (Prof. émérite) PHYSIQUE DE LA MATIERE

Directeurs de recherche C.N.R.S. :Y.BERTHIER MECANIQUE DES CONTACTSN.COTTE-PATAT (Mme) UNITE MICROBIOLOGIE ET GENETIQUEP.FRANCIOSI GEMPPM*M.A. MANDRAND (Mme) UNITE MICROBIOLOGIE ET GENETIQUEJ.F.QUINSON GEMPPM*A.ROCHE MATERIAUX MACROMOLECULAIRESA. SEGUELA GEMPPM*

Directeurs de recherche I.N.R.A. :G.FEBVAY BIOLOGIE APPLIQUEES.GRENIER BIOLOGIE APPLIQUEE

Directeurs de recherche I.N.S.E.R.M. :A-F.PRIGENT (Mme) BIOLOGIE ET PHARMACOLOGIEI.MAGNIN (Mme) CREATIS**

* GEMPPM GROUPE D'ETUDE METALLURGIE PHYSIQUE ET PHYSIQUE DES MATERIAUX** CREATIS CENTRE DE RECHERCHE ET D’APPLICATIONS ENTRAITEMENT DE L’IMAGE ET DU SIGNAL*** LAEPSI LABORATOIRE D’ANALYSE ENVIRONNEMENTALE DESPROCEDES ET SYSTEMES INDUSTRIELS**** CEGELY CENTRE DE GENIE ELECTRIQUE DE LYON

A mes grands-parentsA mes parents

A ma famille

Remerciements

Ce travail a été réalisé au CEntre de Génie Electrique de LYon

(CEGELY), sur le site de l’INSA de Lyon dirigé par Monsieur Jean-Pierre

CHANTE, que je tiens à remercier de m'avoir proposé ce sujet et qui m'a

accepté dans son laboratoire.

Je remercie Monsieur Dominique PLANSON, pour la direction de la

thèse pendant ces trois années ainsi que pour son soutien, ainsi que Marie-

Laure LOCATELLI pour son aide.

Je tiens à remercier la société Schneider Electric pour son soutien

financier et technique à travers Monsieur Albert SENES.

Bravo à Philippe GODIGNON qui a réussi à réaliser les

démonstrateurs au CNM (Centre National de Microélectronique de Barcelone),

dirigé par José MILLAN.

Je remercie Monsieur Francis MISEREY et Monsieur José MILLAN

d'avoir accepté d'être rapporteurs de mon travail de thèse. Je remercie

également Monsieur André LHORTE et Monsieur Bruno REYMOND de leur

participation au jury examinateur du travail présenté.

Je remercie tous les membres du CEGELY que j'ai côtoyés pendant la

thèse et auparavant.

Je tiens à remercier particulièrement ma famille qui m'a soutenu durant

mon cursus universitaire.

Sommaire

Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY

1

SOMMAIRE

SOMMAIRE ................................................................................................................................1

INTRODUCTION ........................................................................................................................5

CHAPITRE 1 PROTECTION ELECTRIQUE ET CAHIER DES CHARGES ............................7

1 LA PROTECTION EN TENSION ...............................................................................................7

1.1 Composants à semi-conducteur......................................................................................9

1.1.1 Diode bipolaire ................................................................................................................ 9

1.1.2 Composant à effet thyristor............................................................................................. 10

1.1.3 Varistances céramiques .................................................................................................. 11

1.1.4 Eclateurs à gaz ............................................................................................................... 12

2 LA PROTECTION SÉRIE ......................................................................................................12

2.1 Principe de protection série ........................................................................................13

2.2 Cahier des charges .....................................................................................................15

CHAPITRE 2 ETAT DE L’ART DU SIC...................................................................................17

1 BREF HISTORIQUE ............................................................................................................17

2 ASPECT CRISTALLOGRAPHIQUE .........................................................................................18

3 RÉALISATION DES PLAQUETTES DE SIC..............................................................................20

3.1 Croissance de mono-cristaux.......................................................................................203.1.1 Méthode d'Acheson [Ache'92] ........................................................................................ 20

3.1.2 Méthode Lely [Lely'55] .................................................................................................. 21

3.1.3 Méthode de "Lely modifiée" et avancées techniques......................................................... 21

3.2 Homoépitaxie..............................................................................................................24

3.2.1 Dépôt chimique en phase vapeur (CVD) .......................................................................... 24

3.2.2 Nouvelles techniques...................................................................................................... 25

3.3 Hétéroépitaxie ............................................................................................................25

Sommaire


2

4 TECHNOLOGIE DES COMPOSANTS ......................................................................................26

4.1 Dopage.......................................................................................................................264.1.1 Dopage in situ................................................................................................................ 26

4.1.2 Dopage localisé par diffusion.......................................................................................... 27

4.1.3 Dopage localisé par implantation ionique ........................................................................ 27

4.1.3.1 Recuit post-implantation ............................................................................................ 28

4.1.4 Niveaux donneurs et accepteurs ...................................................................................... 29

4.2 Oxydes et isolants .......................................................................................................304.2.1 Oxydes thermiques ......................................................................................................... 30

4.2.1.1 Propriétés électriques et interface SiO2/SiC................................................................. 31

4.2.2 Autres isolants ............................................................................................................... 33

4.3 Métallisation et contacts .............................................................................................344.3.1 Contacts ohmiques ......................................................................................................... 34

4.3.2 Contacts Schottky .......................................................................................................... 34

4.4 Gravure......................................................................................................................34

5 COMPOSANTS DE PUISSANCE RÉALISÉS ..............................................................................35

5.1 Potentialités du SiC ....................................................................................................35

5.2 Diode Schottky............................................................................................................38

5.3 Diode bipolaire...........................................................................................................39

5.4 Diode JBS...................................................................................................................40

5.5 MESFET et SIT ...........................................................................................................41

5.6 MOSFET de puissance ................................................................................................43

5.7 MOSFET à accumulation ............................................................................................44

5.8 JFET ..........................................................................................................................45

5.9 Thyristor (GTO)..........................................................................................................46

5.10 Perspectives des composants de puissance sur SiC .......................................................46

6 PARAMÈTRES ÉLECTRIQUES DU SIC ET MODÈLES DE SIMULATIONS ......................................49

6.1 Modèles de bande interdite et masse effective ..............................................................49

6.2 Concentrations d'électrons et de trous .........................................................................516.2.1 Cas du type N (dopage azote) : ....................................................................................... 52

6.2.2 Cas du type P (dopage aluminium) .................................................................................. 53

6.3 Mobilité......................................................................................................................54

6.3.1 Mobilité à fort champ électrique ..................................................................................... 57

6.4 Durée de vie des porteurs minoritaires ........................................................................58

6.5 Ionisation par impact et claquage par avalanche .........................................................59

6.6 Conductivité thermique, λ ...........................................................................................62

Sommaire


3

CHAPITRE 3 CONCEPTION D’UN LIMITEUR DE COURANT EN SIC-4H .........................63

1 PRÉSENTATION DE LA STRUCTURE DITE "PLANAR"..............................................................64

1.1 Description.................................................................................................................64

1.2 Principe de fonctionnement .........................................................................................66

2 SIMULATIONS ÉLECTRIQUES STATIQUES.............................................................................67

2.1 Structure simulée ........................................................................................................67

2.2 Influence du dopage du canal ......................................................................................69

2.2.1 Champ électrique ........................................................................................................... 73

2.2.2 Densité de courant.......................................................................................................... 78

2.2.3 Résistances partielles ..................................................................................................... 80

2.3 Influence de la longueur du canal ................................................................................812.3.1 Champ électrique ........................................................................................................... 82

2.3.2 Densité de courant.......................................................................................................... 83

2.4 Influence de la profondeur de canal .............................................................................842.4.1 Champ électrique ........................................................................................................... 85

2.5 Synthèse des résultats en statique (liés aux paramètres du canal) .................................87

2.6 Influence de l'intercellule ............................................................................................88

2.7 Influence de l'épaisseur d'oxyde...................................................................................93

2.8 Influence des charges à l'interface SiO2/SiC.................................................................942.8.1 Champ électrique ........................................................................................................... 98

2.9 Modélisation analytique du composant ........................................................................99

2.10 Possibilité de commande par grille ............................................................................ 103

2.11 Tenue en tension ....................................................................................................... 104

2.11.1 Tension de claquage de la zone active ........................................................................... 104

2.11.2 Protection périphérique ................................................................................................ 106

3 SIMULATIONS ÉLECTROTHERMIQUES ............................................................................... 109

3.1 Créneau de tension, VDS ............................................................................................ 1093.1.1 Diverses "semelles" thermiques .................................................................................... 115

3.2 Source de tension sinusoïdale .................................................................................... 117

4 RÉALISATION ET CONTRAINTES TECHNOLOGIQUES ........................................................... 120

4.1 Contraintes techniques .............................................................................................. 120

4.2 Simulation de la structure et profils de dopage prévus ................................................ 121

CHAPITRE 4 RÉALISATION ET CARACTÉRISATION...................................................... 123

1 RÉALISATION TECHNOLOGIQUE....................................................................................... 123

1.1 Processus technologique et masques .......................................................................... 123

1.1.1 Processus de fabrication ............................................................................................... 124

Sommaire


4

1.1.2 Masques ...................................................................................................................... 126

2 CARACTÉRISATIONS DU RUN 1 ........................................................................................ 129

2.1 Caractérisation électrique du quart A ........................................................................ 1302.1.1 Centre de quart ............................................................................................................ 130

2.1.2 Bord de quart ............................................................................................................... 134

2.1.3 Caractérisation en température ...................................................................................... 135

2.2 Caractérisation électrique du quart C........................................................................ 138

2.3 Discussion des résultats obtenus................................................................................ 141

2.3.1 Motifs de tests électriques ............................................................................................ 141

2.3.1.1 Diode bipolaire........................................................................................................ 141

2.3.1.2 Résistance du contact Ni/N++ et de la couche NCANAL/P+. ........................................... 143

2.3.1.3 Analyse SIMS – profils d'impureté ........................................................................... 146

2.3.1.4 Charges à l'interface SiO2/NEPI et SiO2/NCANAL.......................................................... 149

2.3.1.5 Observations au microscope optique et au MEB ........................................................ 150

2.3.2 Interprétations et hypothèses de fonctionnement ............................................................ 152

2.3.2.1 Hypothèse 2 : diode interne ...................................................................................... 154

2.3.2.2 Hypothèse 3 : Claquage de l'oxyde ........................................................................... 155

2.3.2.3 Hypothèse 4 et 5 : NPN interne ................................................................................ 155

2.3.2.4 Hypothèse 1 : conduction via le canal ....................................................................... 158

3 SECOND "RUN" ............................................................................................................. 163

3.1 Caractéristiques JDS(VDS) .......................................................................................... 165

CONCLUSION ........................................................................................................................ 169

BIBLIOGRAPHIE ................................................................................................................... 173

PUBLICATIONS PERSONNELLES ................................................................................................ 173

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES ............................................................................................ 174

Introduction


5

INTRODUCTION

Notre environnement électrique est de plus en plus complexe et

important aussi bien en terme de quantité que de diversité des systèmes. La

nécessité de rendre ces systèmes fiables est impérative. Cette fiabilité à long

terme ou à court terme implique une robustesse du système électrique vis-à-vis

des perturbations (électriques, mécaniques, thermiques, chimiques, etc)

auxquelles il sera confronté. Le système doit être alors capable de réagir face à

ces agressions. La réaction peut être soit imprévue et irréversible (faillite et

destruction du système), soit prévue avec intervention humaine nécessaire

(arrêt du système avec remise en route manuelle), soit autonome (la gestion de

la perturbation est complètement assumée par des organes spécifiques). Les

précautions d’usage pour rendre un système fiable sont orientées vers la

sauvegarde du système lui-même et vers la sécurisation des personnels

utilisateurs ou potentiellement victimes. Les deux grandes familles de

perturbations électriques sont les surtensions et les surintensités. Les

surtensions sont généralement dues à l’alimentation électrique (le réseau EDF

par exemple) ou à des couplages électromagnétiques entre le système et son

contexte (cas de CEM, compatibilité électromagnétique) et bien sûr à la foudre.

Les surintensités sont généralement la conséquence d’une défaillance de la

charge provoquant la mise en court-circuit de l’alimentation. Le court-circuit

peut être transitoire ou permanent et est souvent préjudiciable, voire

destructeur.

Introduction


6

La protection contre les surtensions est couramment réalisée par un

dispositif connecté en parallèle sur l’alimentation électrique. Les surintensités

sont évitées par un système, disjoncteur ou non, inséré en série entre la source

de puissance et le système à protéger.

L’objectif de notre travail est la conception et la réalisation d’un

limiteur de courant. Il s’inscrit ainsi dans la gamme des dispositifs de

protection série. L’angle d’approche pour la conception d’un tel dispositif est

celui d’une technologie à base de semi-conducteur de type carbure de silicium

(SiC). La fonction limitation de courant avec ou sans disjonction doit être

assumée par un seul composant, commandable ou non. Il doit avoir une

résistance la plus faible possible pour un courant nominal d’environ 5 A. Le

courant de saturation est d’environ dix fois le courant nominal, soit 50 A. La

tenue en tension de 600 V est celle retenue pour des applications sur le secteur

(50 Hz / 220 V).

Dans un premier temps, une présentation générale des objectifs et

moyens utilisés couramment pour la protection série et parallèle permettra de

situer le domaine d’applications visé. Une présentation de la technologie

actuelle du SiC nous donnera un aperçu de ses potentialités théoriques et

obtenues. Des réponses possibles au cahier des charges seront ensuite

proposées et évaluées grâce à ISETM (logiciel de simulation de composants à

semi-conducteur par éléments finis). Une réalisation technologique d’un

prototype ainsi que l'évaluation de ses caractérisations physiques et électriques

valideront ou non la pertinence du concept. Il sera ensuite bien venu de

conclure.

Chapitre 1 : Protection electrique et cahier des charges


7

Chapitre 1

PROTECTION ELECTRIQUE ET

CAHIER DES CHARGES

En présence d’une perturbation électrique, l’élément de protection

idéal doit limiter sans délai la tension ou le courant à un niveau admissible par

le circuit protégé. Il doit également consommer un minimum d’énergie au

régime nominal et un maximum d’énergie en présence de perturbations. Ceci se

traduit par un courant de fuite très faible pour un limiteur de tension et une

résistance série la plus faible possible pour un limiteur de courant. Pendant la

phase de limitation (en tension ou en courant), le composant doit pouvoir

dissiper une énergie la plus élevée possible.

1 La protection en tensionLe principe de la protection en tension est d'éviter la propagation d'une

tension anormalement élevée vers la charge. Elle est couramment réalisée par

des composants dits ‘écrêteurs’ ou ‘abaisseurs’ de tension. Les composants



8

limiteurs de tension (écrêteurs) sont les diodes Zener, les diodes à avalanche

(Transils de ST Microelectronic), les varistances. L’autre type de suppresseurs,

dits dérivateurs, court-circuite l’alimentation ; ce comportement est celui des

Trisils (ST Microelectronic), éclateurs à gaz.

Les éléments limiteurs de tension présentent une caractéristique

statique courant-tension non-linéaire décrite par la loi empirique :

I KV α=

où K constante spécifique au composant,

α coefficient de non-linéarité.

alimentation chargeprotectionsurtension

figure 1-1 : Positionnement d’un système deprotection contre les surtensions au sein duschéma classique source/charge.

I

VVp

Vs

Vst

a=7

a=50

Ist

figure 1-2 : Caractéristique I(V)d'un organe de limitation detension avec : Ist surintensitéincidente, Vp tension du circuitprotégé, Vs tension de seuil ducomposant de protection, Vst

surtension aux bornes du circuitprotégé.

La limitation des éléments non linéaires est la tension présente à leurs

bornes en mode de protection. Cette tension est d’autant plus élevée que la non-

linéarité est faible. Pour les dispositifs dérivateurs, c’est le courant traversant le

composant de protection pendant la perturbation qui donne la limite de

fonctionnement.



9

Une rapide présentation des différents composants utilisés contre les

surtensions est ensuite proposée ; elle porte essentiellement sur les dispositifs à

semi-conducteur (silicium), les varistances (ZnO et SiC) et les éclateurs à gaz.

1.1 Composants à semi-conducteurDans la gamme des suppresseurs de tension, on trouve des composants

semi-conducteurs de type diode pn polarisée en direct, diode à avalanche

polarisée en inverse, diode Zener et composant à enclenchement de type

thyristor.

1.1.1 Diode bipolaire

La caractéristique statique de la diode montre d’emblée une aptitude à

la protection contre les surtensions, et ce dans les deux cas de polarisation,

directe ou inverse. Dans le cas de la polarisation directe de la diode, le domaine

de tension considéré se situe entre 1,3 V et 10 V. Son principal avantage

comme suppresseur réside dans sa faible

capacité (10 à 100 pF). Mais, un pouvoir

d’absorption d’énergie faible (<1 J), un courant

de fuite relativement important (1 µA à 1mA) et

une forte sensibilité à la température pénalisent

son utilisation dans de nombreuses applications.

En polarisation inverse, l’utilisation de la diode

est beaucoup plus intéressante permettant

d’accéder à des tensions de limitation plus

importantes, entre 5 V et 200 V. Leur principe

de fonctionnement repose sur le claquage non-

destructif d’une jonction PN en inverse. Pour les faibles tensions, on rencontre

préférentiellement un courant inverse dû principalement à un effet Zener, c’est-

I

VIs

Vs

Vbr

polarisationdirecte

polarisationinverse

figure 1-3 : Caractéristiquedirecte et inverse d'une diodebipolaire



10

à-dire, un franchissement ‘tunnel’ de la barrière de potentiel par les porteurs.

Ce cas correspond à des niveaux de dopage élevés et, par conséquent, à des

tensions "Vbr" faibles (5 V à 10 V). Pour des niveaux de tension plus élevés, le

courant inverse est contrôlé par un mécanisme de génération de porteurs par

avalanche.

1.1.2 Composant à effet thyristor

Contrairement à la diode, le

composant de protection à effet thyristor

ne se contente pas de supprimer la

surtension, il abaisse considérablement

celle-ci et introduit alors un court-circuit

sur l’alimentation. La structure est

multicouche, composée d’une alternance

de quatre couches de types opposés,

NPNP par exemple. Le fonctionnement du

composant est sensiblement différent de

celui de la diode. En effet, lorsque la

tension aux bornes du dérivateur thyristor

atteint un seuil appelé Vbo, un

phénomène d’auto-amorçage débute, rendant passantes toutes les jonctions (soit

3) ce qui provoque un effondrement de la tension aux bornes du dispositif. La

tension résiduelle est seulement due à la tension de seuil et sa résistance à l’état

passant. Dans ce cas, la puissance dissipée est majoritairement due au courant ;

il est donc mieux adapté que les diodes à avalanche pour évacuer le courant de

surcharge. Malgré des avantages certains (grand pouvoir d’écoulement en

courant et bonne capacité d’absorption), les dispositifs de protection à

thyristors ne sont utilisés aujourd’hui que dans certaines applications

spécifiques, telles la protection des équipements de télécommunication, des

I

V

Ibo

VboVbr

Ih

VrmIrm

direct passant

direct bloqué

inverse

figure 1-4 : Caractéristique directeet inverse d'une thyristor deprotection (Trisil).



11

lignes de transmission de données, des systèmes d’alarme et des alimentations.

Les principaux inconvénients sont : une gamme de température de

fonctionnement limitée, un temps de commutation sensible aux dv/dt, la mise

en court-circuit de la ligne.

1.1.3 Varistances céramiques

Une varistance est un composant électrique dont la résistance varie

avec un paramètre extérieur imposé. Dans la pratique, ne sont considérés

comme varistances que les composants dont la résistance varie en fonction de

la tension appliquée. Ces composants présentent un grand intérêt pour la

protection des circuits électriques contre les surtensions momentanées. Les

varistances les plus connues regroupent deux types de matériaux :

- les varistances compactées à base de carbure de silicium (SiC), qui

sont les plus anciennes et dont la préparation, de type céramique, implique des

traitements relativement complexes d’oxydoréduction. De plus, les non-

linéarités obtenues sont faibles (3<α<6). Elles ont été largement utilisées dans

les années 50 pour la protection et l’adaptation de lignes. Leur coefficient de

non-linéarité est généralement voisin de 5 pour des densités de courant

comprises entre 10-5 et 1 A.cm-2 et des tensions entre 10 et 1000 V. (Elles sont

faites de silicium, d’argile et de charbon, la conductivité est principalement

contrôlée par le taux de carbone).

- les varistances à base d’oxyde de zinc (ZnO), apparues dans les

années 70, présentent une forte non-linéarité (α>20) et sont préparées

par frittage d’un mélange d’oxydes, processus céramique très simple et

peu coûteux.



12

1.1.4 Eclateurs à gaz

Le principe des éclateurs à gaz repose sur le claquage d'un diélectrique

gazeux soumis à un champ électrique. Son avantage principal est sa technologie

très rustique, c’est aussi son inconvénient, le principe physique utilisé est

extrêmement sensible et délicat à maîtriser ce qui implique une faible précision

donnée pour la valeur de tension d’amorçage (à 15 % près). Mais les tensions

atteintes peuvent être très supérieures à celles obtenues avec les composants à

semi-conducteur actuels (10 kV en attendant le SiC). Il est également très

sensible aux dv/dt.

2 La protection sérieL'apparition d'un courant de surcharge doit être suivie par la mise en

place d'une procédure de protection comprenant une phase de détection et se

terminant par l'ouverture du circuit. Ces courants de surcharge peuvent résulter

soit d'un court-circuit franc soit d'un transitoire dû à des effet capacitifs ou des

appels de courant lors des phases de démarrage de moteur notamment. Dans le

cas d'un court-circuit franc permanent les contraintes thermiques exercées sur

la charge impliquent une réaction rapide du système de protection.

Pour les fortes tensions et forts courants (10-100 kV et 1-10 kA), des

limiteurs de courant à base de supraconducteur sont à l'étude [Verh'94]

[Tixa'94] et pourront peut-être remplacer les systèmes mécaniques. Leurs

applications concernent un niveau très amont de la distribution électrique.

Pour des applications domestiques et industrielles, le moyen le plus

économique pour protéger relativement efficacement un circuit est le

disjoncteur mécanique qui garantit une ouverture excellente du circuit, sa

vitesse de réaction est faible vis-à-vis de courts-circuits francs. Le fusible reste

le moyen le plus utilisé pour la protection contre les surintensités. Rapide à

mettre en œuvre, il est utilisé dans une large gamme d’applications. Il est

généralement couplé à un disjoncteur mécanique. Cependant, la vitesse de



13

réaction de ces systèmes de coupure reste faible et ne garantit pas toujours la

sauvegarde des installations. L'endommagement de matériels à base de semi-

conducteur est réalisé dans les premières microsecondes de court-circuit. Des

systèmes plus complexes mettant en œuvre des interrupteurs à base de semi-

conducteur ont été développés [DePa'92]. Ces systèmes constituent un moyen

performant de protection mais sont beaucoup plus chers que le simple fusible.

Dans le cadre d'intégration fonctionnelle (fonction complète d'électronique de

puissance intégrée sur une seule puce), un limiteur de courant en silicium a été

développé au L.A.A.S. à Toulouse [Guil'98] [Sanc'96] (400-1000 V / 250 mA à

5 V / surface=0,8¥0,8=0,64 mm2), il présente une densité de courant de

saturation d'environ 80 A.cm-2 et une résistance série spécifique de quelques

130 mΩ.cm2.

Dans le domaine des fusibles, on s'oriente vers des matériaux

polymères dont la résistivité augmente avec la température. On obtient des

fusibles PTC (Coefficient de Température Positif) limiteurs de courant

[Strü'99] dont la température interne produite par effet Joule modifie ses

propriétés physiques et rend le composant très résistif. Leur fonctionnement est

basé sur le même principe que le fusible signifiant une vitesse de réaction

relativement lente. Le fusible PTC présenté par [Strü'99] intervient au bout de 1

ms dans un cas de court-circuit sur une alimentation 3 kV / 50 Hz. Les gammes

de tension et de courant visées sont obtenues par multiplication du nombre de

PTC en série et en parallèle (un PTC : 300 V / 5 mΩ).

2.1 Principe de protection sérieLa figure 1-5 et la figure 1-6 illustrent le principe de coupure des

appareillages de protection série en phase en court-circuit.



14

R L

e

Dispositif de protection

Dispositif à protéger

disjoncteur

figure 1-5 : Introduction d'un dispositif deprotection entre l'élément à protéger et lasource de tension. R et L constituent larésistance et l'inductance de ligne.

courant de défaut

i

t

t

v

e

courant dans le dispositif de protection

5 ms 10 ms0

tpa ta

Tension aux bornes dudispositif de protection

figure 1-6 : Formes d'ondes associées àl'ouverture du circuit en phase de court-circuit sur un réseau 50 Hz.

Durant le court-circuit, il faut interposer dans le réseau un organe

capable de tenir la tension du réseau et d'éviter le passage du courant présumé

de court-circuit. La tension aux bornes du dispositif de protection est :

disjoncteurdiV e Ri Ldt

= − −

Dans le cas d'un réseau essentiellement inductif, la variation du courant

est :

disjoncteure Vdidt L

−=

Durant le temps tpa (figure 1-6), le dispositif de protection laisse

passer le courant de défaut. A l’instant tpa, l'ordre de coupure est donné et la

forme d'onde du courant (di/dt) entraîne la forme d'onde de tension aux bornes

du dispositif disjoncteur. Pendant la coupure le courant traversant le disjoncteur

mécanique est un courant d'arc ; pendant toute la durée de l'extinction de l'arc,



15

ta, la tension aux bornes du disjoncteur est alors supérieure à celle du réseau.

Durant la phase de coupure, l'appareillage disjoncteur est amené à dissiper

l'énergie emmagasinée dans les inductances du réseau et celle fournie par le

réseau. L'énergie fournie par le réseau dépend essentiellement de son niveau de

tension au moment de l'ouverture, si on ouvre à e=Vmax alors We=Wmax.

L'énergie selfique est principalement due au niveau de courant atteint au

déclenchement de la coupure, il faut donc réagir le plus vite possible pour

limiter l'énergie à dissiper. Dans le cas du fusible, on note l'énergie maximale

dissipable (rupture) par le fusible par la notion I2t (intégrale de Joule) avec :

2 2

0

tpa ta

I t i dt+

= ∫

L'utilisation des composants à semi-conducteur permet d'éviter

l'arquage et autorise un contrôle précis de la coupure.

2.2 Cahier des chargesNotre préoccupation est de soulager le disjoncteur mécanique ou autre

organe de coupure (intelligent ou non) en proposant une limitation du courant

de défaut pendant une ou deux alternances sur le réseau 50 Hz. L'amélioration

de la protection série en couplant un disjoncteur et un limiteur de courant est

proposée sur la figure 1-7 et la figure 1-8. Dans le cas de surcharges transitoires

durant une ou deux alternances, il est possible d'envisager une action de

protection uniquement prise en charge par le limiteur. Dans le cas de court-

circuit franc et permanent, une action du disjoncteur est inévitable et il est

possible de choisir l'instant d'ouverture (passage à zéro de la tension réseau par

exemple) pour minimiser l'énergie dissipée dans le disjoncteur. On peut

imaginer également une protection entièrement assurée par le limiteur de

courant dans le cas où une commande de celui-ci permet d'ouvrir le circuit.

Le composant limiteur est, dans les deux cas, amené à fonctionner en

présence conjointe de tension et de courant et ainsi de forte dissipation par effet



16

Joule. Il doit alors continuer à fonctionner en présence d'une température

interne pouvant être élevée (600 °C par exemple).

R L

e

Dispositif de protection

Dispositif à protéger

disjoncteurlimiteur

figure 1-7 : Addition d'un limiteur dans leprincipe de protection série.

courant de défaut

i

t

t

v

e

courant dans le dispositif de protection

5 ms 10 ms0

tpa

Tension aux bornes dudispositif de protection

figure 1-8 : Formes d'ondes d'un cas deprotection série par limiteur+disjoncteur.On laisse le limiteur agir jusqu'aupassage à zéro de la tension du réseaupuis on ouvre avec le disjoncteur.

Le cahier des charges envisage un composant limiteur de courant

commandable de calibre 600 V / 50 A avec un courant nominal de 5 A et un

courant de saturation de 50 A. Sa résistance série doit être la plus faible

possible.

L'emploi du carbure de silicium est tout à fait envisageable pour ce

type d'application. Ce matériau est, de par ses propriétés physiques, capable de

travailler à haute température et autorise de très faibles résistances séries pour

la gamme de tension visée. La conception et la réalisation d'un tel composant

sont le sujet de ce travail.

Dans un autre cas d'étude, le SiC serait sans doute adapté pour des

applications de protection en tension (faible courant de fuite, peu de dérive en

température et capable de fonctionner à haute température).

Chapitre 2 : Etat de l’art du SiC


17

Chapitre 2

ETAT DE L’ART DU SIC

1 Bref historique

Les premières analyses physiques de SiC reviennent à

Jöns Jacob Berzelius en 1824. Les traces naturelles de SiC

sont le plus souvent d'origine extra-terrestre, et témoignent

d'impacts de météores avec la Terre. En 1905, H. Moissan

identifia du SiC (baptisé Moissanite) dans une météorite

trouvée dans le célèbre "Meteor Crater" en Arizona [Mois'05].

La synthèse accidentelle de cristaux de SiC à la place de

diamant est à attribuer à Acheson [Ache'92], en 1892. Le

"Carborundum" obtenu par Acheson fut rapidement utilisé

comme abrasif, sa dureté élevée (9,5) le classe encore parmi les meilleures

poudres utilisées. Son utilisation électrique fut proposée en 1907 par H.J.

Round [Roun'07] à travers la réalisation de la première diode

électroluminescente en SiC. Il faut attendre 1955 avec Lely [Lely'55] pour voir

une avancée significative de la méthode de synthèse de SiC mono-cristallin. Ce

procédé annonce le véritable début de la filière SiC à une période où l'intérêt

J.J. Berzelius(caricature de William

Jesen)



18

pour les semi-conducteurs est grandissant. Un second élan est apporté en 1978

par Tairov et Tsvetkov [Tair'78] qui, en s'inspirant de Lely, introduisent une

méthode de croissance par sublimation à partir d'un germe, procédé intitulé

"Lely modifié". L'intérêt économique de la filière SiC se révèle alors possible

et conduit à de rapides améliorations techniques dont celle proposée par Kuroda

et Matsunami en 1987 [Kuro'87] et à la création, la même année, de CREE Inc.,

premier fabricant à vocation industrielle de substrats SiC mono-cristallins.

2 Aspect cristallographique

Il existe environ 200 polytypes (structures cristallographiques)

répertoriés du SiC. Les plus utilisés sont le 6H, 4H (H pour hexagonal), le 3C

(C pour cubique) et le 15R (R pour rhomboédrique). Cette nomenclature

proposée par Ramsdell identifie chaque polytype en juxtaposant le nombre de

plans cristallins compacts contenus dans une séquence et le type

cristallographique. Le polytypisme du SiC résulte d'un double choix

d'empilement des sphères (une sphère est la représentation simplifiée d'une

liaison Si-C) d'un plan compact à l'autre.

Trois positionnements sont alors possibles et sont référencés

arbitrairement par A, B et C. La figure 2-1 reprend à travers divers schémas

l'analogie sphère/liaison Si-C. La figure 2-2 illustre la position des atomes de

silicium et de carbone suivant divers polytypes tels que le 3C, le 4H et le 6H.

Les empilements (figure 2-2) sont orientés suivant l'axe de la liaison Si-C,

également appelé "axe c" (positivement suivant "SiC "). La découpe du

matériau se fait au niveau de la liaison Si-C d'une sphère ; il en résulte deux

faces dont les surfaces sont composées soit d'atomes de silicium, soit de

carbone. On parle de "face Si" ou de "face C".



19

Si

c

a

Si-C

Si

SiSiSi

c

(a) Liaison Si-C (1,89 Å) et arrangement

tetragonal (a=3,08 Å) entre un atome de

carbone (C) et quatre atomes de silicium (Si) (b) Analogie Sphère-liaison Si-C

(c) site cubique

(d) site hexagonal

figure 2-1 : Représentation de la liaison Si-C et d'un tétraèdre (4Si-1C) (a), analogiesphère –liaison Si-C (b), deux configurations des liaisons libres d'une sphère (c) et (d).

0,00

2,52

5,04

7,56

10,08

12,60

15,12CBACBA

axe

C [

Ang

stro

m]

111< > 110< >

Axe

c [

Å]

(a) 3C-SiC suivant 110< >

(b) Référentiel

hexagonal0,00

2,52

5,04

7,56

10,08

12,60

15,12

17,64

20,16

CB

BABCBA

axe

C

[Ang

stro

m]

0001< > 1120< >

Axe

c [

Å]

(c) 4H-SiC suivant 1120< >

A B Ce) Positions relatives (A, B et C) des plans de sphères.

0,00

2,52

5,04

7,56

10,08

12,60

15,12

17,64

20,16BABCACBA

axe

C [

Angs

trom

]

0001< > 1120< >

Axe

c [

Å]

(d) 6H-SiC suivant 1120< >

figure 2-2 : Représentation des polytypes 3C, 4H et 6H (suivant la direction 110< > pour

le 3C et 1120< > pour le 4H et 6H (perpendiculaire à la feuille)), l'échelle indique la

position des atomes suivant l'axe c en Ångström, l'écart entre deux plans est 2,52 Å (a)(c) (d). Positions relatives des plans (e).



20

Le seul polytype cubique répertorié est le SiC-3C, les directions

cristallographiques sont, dans ce cas, repérées dans le référentiel classique

(trois axes). Dans le cas du 3C, la direction suivant l'axe c est <111>. Un

changement de référentiel est commodément utilisé pour les autres types

cristallographiques génériquement appelés α-SiC (β-SiC pour le cubique) et se

compose de quatre axes : trois axes coplanaires (dans un plan de sphère) et un

axe orthogonal, l'axe c (figure 2-2 (b)). La notation classique de Miller à trois

indice, hkl, gagne une composante et on note les directions par <a1a2a4a3> avec

a4=-(a1+a2+a3). Cette notation à quatre indices sert essentiellement à éviter de

confondre le repère cubique et le repère hexagonal.

3 Réalisation des plaquettes de SiC

3.1 Croissance de mono-cristaux

3.1.1 Méthode d'Acheson [Ache'92]

La méthode d'Acheson permet de

fournir facilement du SiC comme abrasif.

Elle est utilisée pour la synthèse de cristaux

de SiC de mauvaise qualité (mélange de

polytypes, impuretés).

Un mélange de silice et de carbone

est disposé autour d'une électrode en

graphite. Un courant traversant l'électrode

porte la température du mélange à 2700 °C.

En périphérie, se trouve une partie du

mélange qui n'a pas réagi et, plus près du

cœur, une zone de SiC amorphe. A

proximité de l'électrode se trouve une couche de graphite due à la séparation du

Mélange SiO2 et CElectrode en carboneEnceinteGraphiteSiC “amorphe”SiC avec inclusions de cristaux

Avant

Après

figure 2-3 : Four Acheson (1892)(image issue de www.ifm.liu.se)



21

carbone et du silicium. Entre le SiC amorphe et le graphite, on peut espérer

trouver des inclusions de SiC cristallin. Une description du principe est

proposée figure 2-3.

3.1.2 Méthode Lely [Lely'55]

La méthode développée par Lely permet de réaliser des cristaux de

petite taille (0,5-1 cm2) avec cependant

une très bonne qualité cristalline (un

seul polytype par plaquette). Le procédé

de fabrication est décrit sur la figure

2-4. De la poudre de SiC est intercalée

entre deux parois de graphite dont une

poreuse. L'enceinte externe est chauffée

à 2500 °C, le SiC se sublime en Si, SiC2

et Si2C, qui traversent le graphite poreux

et se condensent sur la paroi interne du creuset. Le SiC formé est généralement

hexagonal et il n'est pas possible de choisir le polytype. Les cristaux Lely sont

à la base des méthodes de croissance actuelles qui nécessitent un germe sur

lequel croît le cristal.

3.1.3 Méthode de "Lely modifiée" et avancées techniques

La synthèse de "lingots" de SiC par la technique dite de "Lely

modifiée" (appelée encore sublimation ou Transport en Phase Vapeur, PVT) est

actuellement largement utilisée par beaucoup d'équipes (recherche et industrie).

Elle a été tentée avec succès pour la première fois en 1978 par Tairov et

Tsvetkov [Tair'78]. Un schéma de principe de la méthode est proposé sur la

figure 2-5. D'un coté du bâti de croissance se trouve la source composée de

poudre de SiC, de l'autre coté est placé un germe, généralement une "plaquette"

Lely. Le tout est chauffé par une source inductive RF, la poudre se sublime, les

Graphite

Graphite poreux

Poudre SiC

Carbone

SiC mono-cristallin

figure 2-4 : Réacteur Lely (1955)(image issue de www.ifm.liu.se)



22

espèces Si, Si2C et SiC2 sont créées et drainées, par un gradient thermique, vers

le germe où elles se condensent suivant son polytype.

Cristal

Source

Gra

phite

Sublimation

Transport Dépôt

T2

T1

T2>T1SiSi2C

SiC2

1 Couvercle

2 Induction RF

3 Poudre de SiC

4 Creuset

5 Isolation

6 Germe de SiC mono-cristallin (Lely)

figure 2-5 : Principe de la méthode Lely modifiée (1978) et architecture du réacteurassocié (image issue de www.ifm.liu.se).

Les températures adoptées dans le réacteur sont de 2200 °C à 2500 °C.

Le gradient thermique est de 10-40 °C/cm de la source vers le germe. La

pression interne est de 10 à 50 Torr sous argon. La distance entre la source et le

germe est initialement de 10 à 30 mm. La vitesse de croissance est de 0,5 à 2

mm/h. Cette technologie de croissance de boules de SiC mono-cristallin

autorise un contrôle du polytype de la couche déposée via des réglages

thermodynamiques fins. La qualité du matériau synthétisé est moins bonne que

par la méthode Lely mais offre l'énorme avantage de pouvoir fournir des

plaquettes beaucoup plus grandes : 100 mm de diamètre annoncé par CREE, fin

1999 [Hobg'00]. Les défauts structuraux constatés dans les lingots sont

principalement les micropores, trous de diamètres variables (0,1 à 3 µm)

traversant le cristal, et les dislocations en tout genre. Les densités moyennes de

micropores et de dislocations sont respectivement de 10-100 cm-2 et 102-104

cm-2.



23

CREE est actuellement l'entreprise la plus avancée aussi bien

commercialement que technologiquement. La figure 2-6 montre l'évolution de

la production de substrats chez CREE depuis 1993 suivant le diamètre des

plaquettes et la densité de micropores obtenue [Tsve'98] [Cart'99] [Cart'01].

1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000

25

50

75

100

100

75

50

353020φ

de w

afer

CR

EE

[mm

]

1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 20000,1

1

10

100

1000

Production

R&D

50 mm

35 mm

35 mm

30 mm

25 mm

Den

sité

de

mic

ropo

res

[cm

-2]

figure 2-6 : Production R&D et commerciale de substrat SiC par CREE en diamètre etdensité de micropores [Cart'99] [Cart'01].

Actuellement, beaucoup d'équipes étudient l'optimisation de la

méthode de Lely modifiée : Kyoto (Japon) [Nish'01], Linköping (Suède)

[Elli'99] [Elli'00], Erlangen (Allemagne) [Schu'99] [Schu'00], Grenoble

(France) [Anik'00] [Moul'01].

Les polytypes visés sont le plus souvent le 4H, le 6H, et récemment le

15R [Nish'01] [Schu'00]. Le substrat obtenu est généralement de type N (azote)

contrôlé (1019cm-3). L’obtention de substrats de type P (aluminium) contrôlé est

délicate et moins attrayante électriquement que le type N avec cependant un

regain d’intérêt récent [Schu'01] [Bick'01] pour la réalisation d’IGBTs canal N

ou de thyristors. Des investigations sur de nouvelles méthodes de croissance

sont en cours, telles que la croissance en phase liquide (LPG) [Hofm'99] ou en

zone flottante (FZ) [Woll'00], et par dépôt chimique en phase vapeur à haute

température (HTCVD, 'High Temperature Chemical Vapor Deposition')

[Elli'00] [Kord'97].



24

3.2 Homoépitaxie

3.2.1 Dépôt chimique en phase vapeur (CVD)

La technique de dépôt chimique en phase vapeur est la plus utilisée

pour l'homoépitaxie sur SiC. Elle a été améliorée par Kuroda et Matsunami en

1987 [Kuro'87] en développant une méthode de croissance par avancée de

marches ('Step-controlled epitaxy'). La figure 2-7 illustre le principe d'un bâti

d'épitaxie par CVD. L'enceinte est constituée d'un tube en quartz entouré de

spires inductives dans lequel est disposée la plaquette à épitaxier, placée sur un

suscepteur. Le carbone et le silicium sont introduits, via un flux d'H2 (gaz

porteur), sous forme de SiH4, C3H8 ou CH4. La croissance s'effectue à une

température de 1400 °C à 1600 °C.

SiH4

CH4C3H8

Induction RF

Tube en quartz

Suscepteur et substratH2

ABCAC

0001< >

C C B

Unique possibilitéau niveau de la marche Deux positions possibles

Surface

figure 2-7 : Principe de l'homoépitaxie CVD (image issue de www.ifm.liu.se) etillustration de la technique de croissance par avancée de marches [Kuro'87] (image de[Kimo’97]).

La technique de croissance par marche permet un bon contrôle du type

de plan (A, B ou C) déposé et d'obtenir une couche épitaxiée sans inclusions de

polytypes parasites. La vitesse de croissance est de 2 à 5 µm/h. Une

désorientation du cristal (par rapport à <0001>) est recommandée pour obtenir

une couche de bonne qualité cristalline [Kimo'97] et une vitesse de croissance

importante. Les angles utilisés sont 8° pour le 4H et 3,5° pour le 6H. Ce

procédé a eu un grand succès [Powe'90] [Karm'92] et est encore très utilisé

sous des formes différentes : structure verticale [Rupp'97] [Rupp'98], parois

chaudes [Kord'94], barillet multi-wafer [Nord'00], rotation du substrat



25

[Rupp'95]. Les architectures verticales à parois chaudes permettent d'atteindre

des vitesses de croissance d'environ 50 µm/h [Elli'00].

Le contrôle du type et niveau de dopage dans la couche épitaxiée se

fait en ajoutant l'impureté dopante sous forme de gaz dans l'enceinte pendant la

croissance. L'apport d'azote (N2) permet d'obtenir le type N; le type P est

obtenu avec le Bore (B2H6) ou l'aluminium (Al(C2H5)3). Le niveau

d'incorporation des impuretés au cristal est contrôlé par le rapport Si/C,

physiquement expliqué par compétition de site [Kord'97]. Le niveau de dopage

résiduel est d'environ 1013-1014 cm-3, la concentration contrôlée est de 1015 à

1019 cm-3.

3.2.2 Nouvelles techniques

D'autres techniques sont à l'essai pour augmenter la vitesse de

croissance :

- VPE: épitaxie en phase vapeur [Syva'98] (400µm/h), aussi appelée

épitaxie par sublimation [Nish'99] (50µm/h).

- LPE : épitaxie en phase liquide [Yaki'00] qui peut servir également

pour boucher les micropores.

- HTCVD

La méthode de dépôt chimique en phase vapeur à haute température

(HTCVD) semble la meilleure pour obtenir des épitaxies épaisses, avec des

vitesse de croissance élevées 500 µm/h (800 µm/h [Elli'00]), et de qualité

comparable aux couches obtenues par la technique CVD [Kord'97] [Kord'98].

3.3 HétéroépitaxieLa croissance de SiC-3C sur Si a été initiée par Matsunami en 1980

[Nish'80] et permet de bénéficier de substrats de 3C, difficiles à obtenir par

croissance classique. La différence de paramètres de maille (20 %) et de

coefficient de dilatation (8 %) font de l'interface SiC-3C/Si un lieu propice aux



26

développement de défauts structuraux telles que des dislocations, des fautes

d'empilement et des défauts planaires étendus [Fuyu'97]. Une étape de

"carbonisation" est pratiquée en début de croissance sur la surface du substrat

de silicium afin de diminuer le nombre de défauts. La tendance actuelle en

matière d'épitaxie SiC-3C sur Si est à la MBE [Fuyu'97], épitaxie par jet

moléculaire ('Molecular Beam Epitaxy').

D'autres hétérostructures émergent, constituées d'un empilement

SiC/SiO2/Si appelé SICOITM [Cioc'97] ou SIMOX [Hara'00]. Leur intérêt

premier est l'obtention de plaquettes de grande taille à moindre coût

éventuellement exploitables par une filière circuit intégré CMOS. Leur

utilisation pour des composants discrets de puissance reste à prouver. Le

procédé de fabrication de ces substrats comporte une implantation forte dose

d'hydrogène (SICOITM) ou d'oxygène (SIMOX) qui altère la qualité de la

couche de SiC [Cioc'97].

4 Technologie des composants

4.1 Dopage

4.1.1 Dopage in situ

L'incorporation des dopants tels que l'azote (type N), l'aluminium ou le

bore (type P) est possible durant la phase d'élaboration du matériau (croissance

du substrat et des épitaxies). Elle permet d'obtenir une couche dopée

d'épaisseur et de dopage maintenant fiables. Le mécanisme du contrôle du

dopage avec le rapport Si/C en CVD permet d'obtenir une bonne activation des

impuretés intégrées à la matrice cristalline. On considère que 100 % des

impuretés introduites sont électriquement actives. L'aluminium s'incorpore à la

matrice cristalline en site silicium et l'azote en site carbone [Kord'97].



27

4.1.2 Dopage localisé par diffusion

L'obtention de couches dopées par diffusion est très difficile dans le

SiC. Les coefficients de diffusion des impuretés dopantes sont très faibles et

requièrent des températures et des durées dissuasives. Les coefficients de

diffusion de l'aluminium et du bore sont respectivement 6¥10-14 cm2.s-1 et

8¥10-13 cm2.s-1 (à 1700 °C) [Trof'97]. Des études récentes donnent une valeur

de 2,5¥10-11 cm2.s-1 pour le bore à 2050 °C [Brac'01]. Un essai de réalisation

de diode bipolaire par diffusion de bore à 2000 °C pendant 30 min [Solo'00]

conduit à un composant passant 100 A.cm-2 à 12 V !

4.1.3 Dopage localisé par implantation ionique

L'implantation ionique est la technique la plus utilisée pour l'obtention

de dopages localisés. Les impuretés les plus utilisées sont l'aluminium et le

bore pour obtenir le type P, l'azote et récemment le phosphore pour le type N.

Le principal inconvénient est, faute de diffusion possible, le domaine réduit des

profondeurs de dopage possibles. En effet, l'ordre de grandeur de la pénétration

d'atomes d'aluminium dans le SiC est 1 nm/keV (position du maximum de la

distribution d'atomes dans le SiC, Rp [nm], divisée par l'énergie d'implantation,

E [keV]). Pour obtenir une profondeur d'implantation d'aluminium de 1 µm, il

faut une énergie d'implantation de l'ordre de 1 MeV. Par conséquent, il est

difficile techniquement d'obtenir des jonctions profondes (>1 µm) avec les

implanteurs "classiques" utilisés par la filière silicium (typiquement, l'énergie

maximale disponible est de 200 keV). La profondeur de pénétration est

directement liée à la masse du projectile (l'impureté) et à la masse volumique

du matériau cible (SiC, 3,21 g.cm-3) [Morv'99]. L'atome de bore, plus petit que

celui d'aluminium, pénètre environ à 2 nm/keV, l'azote à quelques 1,5 nm/keV.

Pour implanter profond, il faut : soit implanter à haute énergie [Schö'01], soit

"tirer" intentionnellement selon une direction cristallographique privilégiée

suivant laquelle la disposition les atomes de silicium et de carbone crée des



28

"canaux" [Morv'99] [Jans'00]. Un autre inconvénient est l'endommagement du

matériau par l'implantation [Morv'98] se traduisant par des modifications

locales de la stœchiométrie du SiC et l'altération de sa structure cristalline. Une

étape de recuit haute température est alors nécessaire pour recristalliser le

mieux possible le matériau et permettre aux impuretés implantées de migrer

vers un site cristallin adéquat pour devenir véritablement des dopants [Laza'00].

4.1.3.1 Recuit post-implantationLe recuit peut être effectué dans une enceinte formée d'un tube en

quartz dans laquelle un suscepteur supporte la plaquette de SiC surmontée d'un

capot (four utilisé au Cegely). La température de recuit se situe entre 1300 °C

et 1800 °C, pendant 10 à 30 min. Le tableau ci-dessous donne quelques

résultats de recuits pour des implantations d'azote, de phosphore et

d'aluminium.

ImplantationEspèce

implantée Dose

[cm-2]

T

[°C]

Conditions de

recuit

Dopage

chimique

[cm-3]

n,p

[cm-3]

(300K)

µ

[cm2.V-1.s-1]

(300K)

R

[Ω/]

Ref

Al 1,7¥1015 20 6H 1700 °C/30min 4¥1019 40 19000 [Laza'00]

Al 4¥1015

4¥1015

20

500

4H

4H

1700 °C/30min

1700 °C/30min

95000

3600

[Kimo'01]

N 4¥1015 800 4H 1600 °C/30min 420 [Kimo'01]

N 1¥1013 20 6H 1700°C/30min 2¥1017 180 6700 [Laza'01]

N 4¥1015 800 6H 1500°C/30min ~1019 500 [Kimo'97]

N 1015

1015

650

650

6H

6H

1300 °C/2min

1300 °C/2min

5¥1018

5¥1017

2¥1018

3¥1017

100

200

[Thom'98]

N 2¥1015

2¥1015

650

650

650

6H

4H

4H

1300 °C/30min

1300 °C/30min

1300 °C/30min

8¥1019

8¥1019

4¥1017

2¥1018

1,7¥1018

1¥1017

85

75

230 8000

[Gimb'99]

P 4¥1015

4¥1015

20

800

4H

4H

1700 °C/30min

1700 °C/30min

105

180

[Kimo'01]

P 7¥1015 500 4H 1600 °C/30min 2¥1020 70 [Imai'00]



29

Les bâtis d'épitaxie ou autres types d'enceintes haute température

peuvent également être utilisés comme four de recuit.

Des tentatives de recuits laser n'ont pas donné de meilleurs résultats

[Hish'00]. Une technique de dopage basée sur la transmutation du silicium en

phosphore [Tamu'00] due à un bombardement de neutrons a été tentée. Il faut

50 heures pour changer le type P (8¥1014 cm-3) en type N (1,7¥1015 cm-3) avec

une dose de neutrons de 1019 cm-2.

4.1.4 Niveaux donneurs et accepteurs

Les niveaux d'énergie donneurs ou accepteurs sont donnés dans la table

ci-dessous respectivement par rapport à EC et à EV (mesurés par

photoluminescence, effet Hall ou spectroscopie infra-rouge).

3C 4H 6H 15R

k h k h k h k

Ref

B

(P)

735 647

285

285-310

647

285

285-310

698

300-400

723

300-400

666 700 [Iked'80]

[Trof'96]

[Trof'97]

Al

(P)

254

257

191

191-230

191

191-230

239

200-250

249

200-250

206 221 [Iked'80]

[Trof'97]

[Fuku'97]

N

(N)

56,5

54

66

52,1

42

124

91,8

84

100

81

155

137,6/142,4

64 112 [Iked'80]

[Gotz'94]

[Capa'00]

[Spae'00]

P

(N) 53 93

80 110 [Pepp'96]

[Capa'00]

k: site cubique / h: site hexagonal / (P): accepteur / (N): donneur

3C: 1 site k / 4H: 1 site k, 1 site h / 6H: 2 site k, 1 site h / 15R: 3 site k, 2 site h

Les impuretés azote et phosphore ont un niveau donneur proche de la

bande de conduction et permettent d'obtenir une concentration d'électrons à 300



30

K s'élevant à environ 50 % du niveau de dopage, ND. Pour le type P, les

niveaux sont relativement profonds (~200 meV pour Al et ~300 meV pour B) et

sont responsables d'une concentration de trous à 300 K d'environ 5 % du niveau

de dopage, NA. Les valeurs des niveaux d'énergie dépendent du site, cubique ou

hexagonal, occupé par l'impureté. L'aluminium et le bore donnent des niveaux

plus profonds respectivement dans le SiC-4H et 6H. L'aluminium est

responsable d'un niveau profond situé et 570 meV (/EV), attribué à un centre I,

dans le 4H [Anik'86]. Le bore introduit un niveau d'énergie attribué à un

complexe, dit "centre D", de 580 meV (/EV) dans le 6H [Sutt'90].

4.2 Oxydes et isolantsUn des atouts majeurs de la filière silicium est son oxyde, SiO2. Il est

relativement facile à faire croître et présente de bonnes propriétés électriques

(champ électrique de claquage ~13 MV.cm-1 pour un oxyde thermique). Cet

avantage existe aussi pour la technologie du SiC mais le "mariage" SiC/SiO2

n'est pour l'instant pas acquis, peut être perturbé par le carbone. L'obtention

d'une bonne interface SiC/SiO2 ouvre la voie à la technologie MOSFET et est

également indispensable à la passivation de tout composant de puissance.

4.2.1 Oxydes thermiques

L'oxydation du SiC résulte d'une réaction avec l'oxygène sous la forme

d'O2 (oxydation sèche), ou d'H2O (oxydation humide). L'épaisseur de SiC

consommée par oxydation est 45 % de l'épaisseur de SiO2 obtenue [Rayn'01].

La cinétique de croissance diffère suivant le type d'oxydation : il faut 4 h à

1050 °C pour 20 nm d'oxyde en oxydation humide et 14 h en oxydation sèche

[Koh'00]. La vitesse de croissance varie suivant la face (Si ou C) et suivant le

plan cristallin : rapport de 5 en faveur de la face C(000-1) par rapport à face

Si(0001) [Wrig'99], et de 3-5 en faveur de (11-20) par rapport à (0001)

[Yano'00] pour du SiC-4H et 6H. L'application à la croissance d'oxyde de



31

passivation n'est pas envisageable compte tenu des performances affichées, une

solution [Nipo'99] conduisant à une multiplication par dix de la vitesse de

croissance est possible en amorphisant le SiC par implantation ionique. La

formation de LOCOS est également étudiée [Ueno'97].

4.2.1.1 Propriétés électriques et interface SiO2/SiCLe champ électrique de claquage des oxydes thermiques est d'environ

10 MV.cm-1 à 300 K et 6 MV.cm-1 à 600 K [Anth'99]. "L'espérance de vie" d'un

oxyde soumis à 5 MV.cm-1 est de 10 ans à 25 °C, elle passe à 1000 s à 350 °C

[Lipk'00] [Bano'96] [Bano'97] ce qui peut être handicapant pour des

applications hautes températures. L'oxyde obtenu sur SiC est actuellement

source de charges fixes importantes, Qeff (cm-2), et à l'interface SiO2/SiC, Dit

(eV-1.cm-2). Quelques résultats sont proposés dans le tableau ci-dessous.

Type /

concentration

[cm-3]

Grille T [°C]

/

t [h]

eox

[nm]

Qeff

[cm-2]

Dit

[eV-1.cm-2]

Conditions

d'oxydation

H: humide / S: sèche

Ref

4H N: 1,1¥1016 Ni 1050 / 4

1050 / 14

24

30

-7¥1011

-1,2¥1012

H / 850 °C O2 / Ar

S / 850 °C O2 / Ar

[Koh'00]

4H N: 2¥1016 1120 / 24 124 -1,5¥1012

-2¥1011

1¥1012 S / Ar / mes. à 80K

S / Ar / mes. à 300K/

[Bass'00]

4H

(0001)

P: 5-10¥1015 Al 1150 / 2

1150 / 3

40

40

-3,5¥1012

-1¥1012

H / 1000 °C H2 / Ar

S / 1000 °C H2 / Ar

[Mats'00]

6H

(0001)

P: 5-10¥1015 Al 1150 / 2

1150 / 3

40

40

-5,8¥1011

1,1¥1012

H / 1000 °C H2 / Ar

S / 1000 °C H2 / Ar

[Mats'00]

15R

(0001)

P: 5-10¥1015 Al 1150 / 2

1150 / 3

40

40

-5,7¥1011

9¥1011

H / 1000 °C H2 / Ar

S / 1000 °C H2 / Ar

[Mats'00]

4H

(0001)

(11-20)

N: 1¥1016 Al 1100 / 1

1100 / 1

41

43

-6,5¥1011

-1,3¥1012

2¥1013

1013

H / 1000 °C H2 / Ar

[Yano'01]

6H

(0001)

(11-20)

N: 1¥1016 Al 1100 / 1

1100 / 1

43

34

-1,2¥1011

-2,2¥1011

4¥1012

6¥1012

H / 1000 °C H2 / Ar [Yano'01]



32

Le type de conductivité du substrat (N ou P) introduit des différences

notables [Afan'97]. Les oxydes réalisés sur type N présentent de faibles

densités de charges à l'interface de

l'ordre de 1011-1012 eV-1.cm-2 ; sur

le type P, on obtient généralement

1012-1013 eV-1.cm-2. Les valeurs

obtenues pour Qeff et Dit sont

souvent du même ordre de grandeur.

Les charges fixes globales, Qeff, sont

généralement négatives sur type N

et positives sur type P. Différentes

conditions de traitement ont été

essayées et il semble qu'un recuit post-oxydation sous Argon avec 10 % d'H2

améliore l'interface SiO2/SiC [Ueno'99].

L'interface SiO2/SiC influe directement sur la mobilité des couches

d'inversion dans les structures MOSFETs à canal N. Les polytypes 6H et 15R

sont de bons candidats pour les MOSFETs, les mobilités effectives, µeff, des

électrons dans le canal obtenues expérimentalement sont respectivement

environ 40 et 60 cm2.V-1.s-1. Le 4H est le mauvais élève et n'obtient qu'environ

5 cm2.V-1.s-1 [Mats'00]. Cette différence peut être attribuée à la distribution des

états d'interface, Dit, proposée sur la figure 2-8. D'autres phénomènes

altéreraient le transport des électrons dans le canal d'inversion des N-

MOSFETs, certains prônent des discontinuités de la couche d'inversion dues à

des fluctuations de potentiel [Ouis'95] [Ouis'95], d'autres cherchent de

nouvelles orientations cristallines [Yano'00]. Des investigations sur le plan (11-

20) ont conduit à une amélioration spectaculaire de la mobilité du canal sur le

4H et le 6H [Yano'00] (µeff=30 cm2.V-1.s-1 (µmax=80 cm2.V-1.s-1) pour le 4H, et

µeff=70 cm2.V-1.s-1 (µmax=115 cm2.V-1.s-1) pour le 6H). Les améliorations de

l'interface SiO2/SiC à travers une optimisation à la fois des conditions

4H

6H

15R

SiO2 SiC

Ec

Ev

E

Dit

piège près de l'interface A

ccep

teur

Don

neur

humide

sec

1012 1013 (eV-1.cm-2)

figure 2-8 : Distribution de Dit sur typeP, oxyde humide et sec [Mats'00].



33

d'oxydation et du choix des faces sur chaque polytype sont les clés des

structures MOS sur SiC.

4.2.2 Autres isolants

La recherche d'isolants adaptés au SiC autres que SiO2 est en cours,

que ce soit pour des isolants de grille ou de passivation. Le tableau ci-dessous

propose un choix possible d'isolants [Zett'98].

4H/6H 3C SiO2 AlN Al2O3 Si3N4 Ta2O5 TiO2

Ec

[MV.cm-1]

2,2/2,5 2,0 10-13 6-15 5 5-10 3,5 1

εr 10 9,7 3,9 8,5 10 7,5 22-27 15-40

EG [eV] 3,2/3,0 2,3 9,0 6,2 7-8 5 4,4 3,2

Outre le SiO2, l'AlN présente des caractéristiques intéressantes avec un

champ de claquage de 6-15 MV.cm-1 et surtout une permittivité diélectrique du

même ordre que celle du SiC. Dans le silicium, le champ de claquage est

d'environ 0,2 MV.cm-1, le SiO2 est soumis au maximum à ~0,2¥12/4=0,6

MV.cm-1 avec la loi de passage à l'interface ε1E1=ε2E2 (E=composante du

champ électrique perpendiculaire à l'interface des matériaux 1 et 2). Le champ

de claquage du SiC est d'environ 2 MV.cm-1, soit un champ électrique dans

l'oxyde d'environ 5 MV.cm-1 créant ainsi un stress important des oxydes de

grille des MOSFET de puissance. L'AlN semble ainsi bien placé (ε1=8,5) pour

se substituer à SiO2 [Zett'98] [Leli'00], et présente également un faible

désaccord de maille (1 %) avec le SiC.

Des essais d'oxydes de grille de type ONO (SiO2/NSi/SiO2) [Lipk'00]

se sont montrés concluants en terme de longévité (104 s à 4 MV.cm-1 / 350 °C,

10 fois supérieurs à celle d'un oxyde thermique).



34

4.3 Métallisation et contacts

4.3.1 Contacts ohmiques

De nombreux métaux ont été essayés pour obtenir de bons contacts

ohmiques sur SiC (nickel, aluminium, titane, tungstène, platine, rhénium, or,

cuivre, palladium, niobium, molybdène, tantale). Les plus utilisés sont le nickel

et le tungstène sur du SiC de type N, l'aluminium et le titane sur type P. Les

résistances spécifiques de contact obtenues sont d'environ 10-6-10-5 Ω.cm2 avec

le nickel [Crof'95] et le tungstène [Baud'95] sur 6H-SiC de type N dopé à 1019

cm-3. Pour le type P, on obtient 10-5-10-4 Ω.cm2 avec l'aluminium ou le titane

[Luo'00] [Crof'97] sur 6H- ou 4H-SiC dopé à 1019 cm-3. La température de

recuit du contact est d'environ 1000 °C pendant 1 à 2 mn.

4.3.2 Contacts Schottky

La réalisation de contacts Schottky sur SiC requiert les mêmes métaux

que pour le contact ohmique, la seule différence est le niveau de dopage requis,

beaucoup plus bas (<1017 cm-3). Le nickel et le titane [Itoh'97] semblent adaptés

à la réalisation de contact Schottky sur type N, leurs hauteurs de barrière par

rapport au 4H-SiC sont respectivement 1,6 eV et 1 eV et permettent de bonnes

caractéristiques électriques du contact redresseur.

4.4 GravureLa gravure du SiC est actuellement indispensable pour la réalisation de

MESFET, de Thyristor ou de MOSFET "en tranchée". Elle fut étudiée au

Cegely (et au Leti) par D. Planson, puis F. Lanois [Plan'94] [Lano'97]. La

gravure du SiC est généralement faite par réaction du SiC avec un plasma.

Cette réaction est à la fois physique et chimique : un gaz d'une espèce choisie

est excité jusqu'à formation d'un plasma (ensemble de particules chargées), une

polarisation adéquate permet d'accélérer les particules chargées vers la cible. Il



35

y a deux actions possibles : soit arrachage physique de particules de la cible dû

à des chocs avec des ions accélérés du plasma, soit réaction chimique entre les

espèces du gaz et le matériau à attaquer qui est l'effet utilisé pour la gravure du

SiC. Dans le cas du SiC, le gaz utilisé pour formé le plasma est composé de SF6

et d'O2 (SF6 réagit avec Si, et O2 réagit avec C) [Plan'94] [Lano'97] (ou NF3,

CHF3 [Sher'00]). La vitesse de gravure obtenue dans un réacteur de type RIE

('Reactive Ion Etching') est d'environ 100 nm/mn. La gravure localisée

nécessite un masquage des zones à épargner à l'aide d'un matériau dont la

sélectivité (VgravureSiC/Vgravuremasque) doit être fonction de la gravure désirée

(profondeur, pente) [Lano'97] [Sher'00].

5 Composants de puissance réalisésLa qualité du matériau s'améliorant et le diamètre des plaquettes

vendues augmentant, le nombre de composants de puissance réalisés sur

carbure de silicium par diverses équipes augmente ainsi que la diversité des

composants. On note ainsi dans la littérature des caractérisations de diodes pn,

Schottky, JBS (hybride pn/Schottky) et Zener, de MOSFETs de puissance, de

MESFETs, de Thyristors, et d'IGBTs. L'arrivée sur le marché (Avril 2001) de

diodes Schottky SiC (300 V / 10 A et 600 V / 4-6 A), par la société Infineon,

annonce un essor industriel important de la filière SiC.

5.1 Potentialités du SiCEn quoi le SiC est-il intéressant par rapport au silicium ? En effet, on

peut se demander comment un matériau délicat à maîtriser, tant au niveau de sa

synthèse que lors de son utilisation pour la fabrication de composants, peut

obtenir une maturité suffisante pour inquiéter la filière silicium.

Le tableau suivant reporte les propriétés électriques principales de

quelques matériaux semi-conducteurs à 300 K et pour un dopage de 1015-1016

cm-3.



36

Matériaux Eg

[eV]

ni

[cm-3]

εr µn

[cm2.V-1.s-1]

EC

[MV/cm]

νsat

[107 cm.s-1]

λ

[W.cm-1.K-1]

Gap

Direct

Indirect

Si 1,1 1,5¥1010 11,8 1350 0,2 1,0 1,5 I

Ge 0,66 2,4¥1013 16,0 3900 0,1 0,5 0,6 I

GaAs 1,4 1,8¥106 12,8 8500 0,4 2,0 0,5 D

GaP 2,3 7,7¥10-1 11,1 350 1,3 1,4 0,8 I

InP 1,86 ~103 9,6 3000 1,0 2,5 - D

3C-GaN 3,27 8¥10-9 9,9 1000 1 2,5 1,3 D

2H-GaN 3,39 1,9¥10-10 9,0 900 3,3 2,5 1,3 D

3C-SiC 2,2 6,9 9,6 900 1,2 2,0 4,5 I

4H-SiC 3,26 8,2¥10-9 10 600 (c)

750 (c)

2,0 2,0 4,5 I

6H-SiC 3,0 2,3¥10-6 9,7 370 (c)

50 (c)

2,4 2,0 4,5 I

Diamant 5,45 1,6¥10-27 5,5 1900 5,6 2,7 20 I

BN 6,0 1,5¥10-31 7,1 5 10 1,0 13 I

AlN 6,1 ~10-31 8,7 1100 11,7 1,8 2,5 D

Pour des applications de puissance, les propriétés demandées sont liées

aux aspects température, tenue en tension et faible résistivité et requièrent ainsi

des matériaux à large bande interdite (>3 eV, donc faible densité de porteurs

intrinsèques à haute température), à bonne conductivité thermique, fort champ

électrique de claquage et bonne mobilité des porteurs.

Différents auteurs ont proposé des facteurs de mérite pour pouvoir

classer les matériaux suivant le type de performance souhaitée (fréquence,

température, puissance). Les quatre facteurs les plus utilisés en électronique de

puissance sont regroupés dans le tableau ci-dessous.



37

Facteurs de Mérite Aptitudes Applications Réf.

2

2C satEJFM υπ

=

Johnson Factor of Merit Haute fréquence

Puissance

Interrupteur

moyenne puissance

[John'63]

4sat

r

cKFM υλπε

=Keyes Factor of Merit Thermique

Haute fréquence

Circuits intégrés [Keye'72]

3r GBFM µEε= Baliga Factor of Merit Minimisation des

pertes en conduction

[Bali'82]

2CBHFFM µE= Baliga High Frequencies

Factor of Merit

Minimisation des

pertes en commutation

Interrupteur de

puissance haute

tension (FETs de

puissance)

[Bali'89]

La figure 2-9 propose une représentation permettant de situer différents

matériaux selon les facteurs de mérites JFM, KFM, BFM et BHFFM

relativement au Silicium.

100

101

102

103

104

104

10-1

100

101

103

102

101

100

10-1

BNAlN

Dia

man

t

SiC

-6H

SiC

-4H

SiC

-3C

GaN

-2H

GaPG

aN-3

C

GaA

sSi G

e

KFM

BFM

BH

FFM

JFM

figure 2-9 : Valeurs de facteurs de mérites pour différents matériaux relativement auSilicium.

Le SiC (sous la forme de 4H et de 6H) devance aisément le SiC-3C, le

GaP, le GaAs, le Si et le Ge. Son concurrent direct est le GaN (2H et 3C) qui

est cependant pénalisé par sa conductivité thermique plus faible que celle du

SiC. Les meilleurs candidats sont le diamant, le nitrure de bore (BN) et le



38

nitrure d'aluminium (AlN) qui ont le handicap majeur d'être difficiles à

synthétiser, l'obtention de composants de puissance sur ces matériaux reste

pour l'instant de la science fiction. Le SiC est, dans l'état de l'art actuel, le

matériau le mieux placé pour l'électronique de puissance.

5.2 Diode SchottkyLa diode Schottky est un bon démonstrateur de la qualité des couches

épitaxiées en terme de tenue en tension et de résistance série spécifique. Ci-

dessous, quelques résultats montrant les performances actuelles de diodes

Schottky sur SiC (essentiellement 4H type N ; métallisation : nickel). Les

tenues en tension atteintes (~4000 V) sont sans équivalent dans la technologie

Schottky sur silicium (200 V max). Les courants de fuite et résistances série

sont faibles (~1-10 µA.cm-2 / 5-30 mΩ.cm2).

Epitaxie (N)

[cm-3] / [µm]

VBR [V]

/ protection

VF [V] /

JF [A.cm-2]

RON-DYN

[mΩ.cm2]

JR [µA.cm-2]

à VR [V]

Ref

6H 1100 [Kimo'93]

4H / Ni 1015 / 42

6¥1015 / 22

3¥1015 / 92

2800 / pl. ch.

910 / pl. ch.

2600 / pl. ch.

1,63 / 100

1,63 / 100

34

2,6

167

0,7 / 1000

4¥105 / 800

3¥106 / 1000

[Kimo'98]

4H / (11-20) Ni 3-5¥1015 / 8-10 800-1000 4-6 0,2 / 100 [Kimo'00]

4H / Ti 1750 / JTE 2 [Itoh'96]

4H / Ni et Ti 3,5¥1015 / 13 450 / JTE (1720) 2 / 20 50 10 / 300 [Scho'98]

4H / Ni 8¥1015 / 12 1200 / JTE 3 [Mitl'97]

4H / Ni 7¥1014 / 43

7¥1014 / 27

3850 / pl. ch.

3560 / pl. ch.

4,4 / 100

3,9 / 100

30

25

1,8 / 2200

1,7 / 3000

[Waha'00]

4H / Ni 5¥1015 / 13

2,5¥1015 / 15

1200 / JTE

1700 / JTE

1,7 / 250

2,3 / 250

3

5

4 / 1200

150 / 1700

[Pete'01]

4H / Ni 3¥1015 / 27 2400 2,7 / 100 13,8 [Tsuc'01]

4H / Ni 600 5,4 [Held'01]

4H 1400 1 / 100 5 [Weit'96]

pl. ch. : plaque de champ / JTE : poche / MESA : gravure / Anneaux : anneaux de garde



39

5.3 Diode bipolaireQuelques exemples de diodes pn obtenues sur SiC sont répertoriés dans

le tableau ci-dessous.

Epitaxie (N)

[cm-3] / [µm]

VBR [V]

/ protection

VF [V] /

JF [A.cm-2]

RON-DYN

[mΩ.cm2]

JR [µA.cm-2]

à VR [V]

Ref

6H / P+ impl. B 9¥1015 650 3 / 100 10-4 / 10 [Ghez'93]

6H / P+ épi 2¥1015 / 24 2000 2,5 / 100 500 [Taka'94]

6H / P+ épi 1000 4 / 200 500 [Anik'88]

6H / P+ épi 2¥1015 / 45 4500 / MESA 8 / 500 [Kord'95]

4H / P+ impl. Al 2¥1016 / 5,6 600 / JTE [Mitl'97]

4H / P+ impl. Al 8¥1015 / 14

5¥1015 / 26

2000 / JTE

3000 / JTE

4 / 500

4,8 / 500

2,2

3

[Mitl'98]

4H / P+ impl. Al 2¥1015 / 39 4800 / JTE 4 / 100 20 / 4800 [Pete'00]

4H / P+ impl. Al 1,5¥1016 / 12 1400 / JTE 3,6 / 500

3 / 100

1,6 0,1 / 1000 [Rupp'98]

4H / P+ impl. Al 4¥1015 / 26 3000 / JTE 5,2 / 500

3,5 / 100

3,4 100 / 3000 [Rupp'98]

4H / P+ impl. Al/B 1,6¥1015 / 35 3500 3 / 10 0,5 / 1000 [Zimm'00]

4H / P+ impl. Al 1015 / 10 1300 / Anneaux [Niu'00]

4H / P+ impl. Al 1015 / 40 4500 / JTE 4,8 / 100 4,3 100 [Fedi'00]

4H / P+ épi 1015 / 50 6200 /

MESA+JTE

4,7 / 100 7,4 [Suga'00]

4H / P+ épi 5¥1014 / 12 1700 5 / 500 [Kimo'99]

6H / P+ épi 8¥1014 / 12 2000 6,9 / 500 [Kimo'99]

6H / P+ épi 1-5¥1014 / 31 3200 4,6 [Kimo'01]

4H 4,5¥1014 / 50 5900 / JTE 7,2 / 100 [Cart'99]

4H 12300 [Cart'01]

4H / P+ impl. Al/B 3500 / JTE 3,2 / 100 2,6 0,01 / 3000 [Rott'99]

4H 1¥1015 / 29 5000 / anneaux 4,5 / 637

3,5 / 100

[Furs'00]

4H 1015 / 35 3000 3,4 / 100 [Lend'00]



40

Les diodes bipolaires sur SiC ont l'inconvénient d'avoir un seuil de

conduction (Vbi~2 V) important dû à la largeur élevée de la bande interdite.

Elles sont ainsi moins performantes en direct que les diodes silicium (à tenue

en tension identique). La durée de vie des porteurs minoritaires étant faible, la

modulation de la couche résistive est beaucoup moins importante que dans le

silicium. Cependant, une comparaison expérimentale entre une diode silicium

et une diode SiC-4H de même calibre (4500 V et 2 A (100 A.cm-2)) [Pete'00]

montre que, à partir de 80 A.cm-2 la chute de tension statique dans la diode

SiC-4H devient inférieure à celle mesurée dans la diode silicium. L'avantage

d'une durée de vie des minoritaires faible (50 ns [Pete'01]) se traduit par

d'excellentes performances en commutation des diodes pn SiC : temps de

recouvrement inverse, trr, de l'ordre de 30 ns pour une diode 4500 V [Pete'01]

lors d'une commutation sous 17 A (800 A.cm-2)/1000 V à di/dt=500 A/µs.

5.4 Diode JBSLa diode JBS ('Junction Barrier Schottky') est un composant hybride

issu d'un croisement entre une diode pn et une diode Schottky. Un panel de

diodes JBS sur SiC est proposé ci-dessous.

Epitaxie (N)

[cm-3] / [µm]

VBR [V]

/ protection

VF [V] à

JF [A.cm-2]

RON-DYN

[mΩ.cm2]

JR [µA.cm-2]

à VR [V]

Ref

6H / 50% (Ti/P+) 7¥1015 / 10 820 5 / 100 43 10 / 200 [Dahl'98]

4H / 50% (Ti/P+) 7¥1015 / 10 980 3,1 / 100 19 10 / 200 [Dahl'98]

4H / (Ti/P+) 5¥1015 / 9 700 1 / 100 5 0,7 / 600 [Held'98]

4H / (Ti/P+) 1800 1,7 / 200 5 [Rott'99]

4H / 80% (Ti/P+) 3¥1015 / 27 2800 / JTE 1,75 / 100 5 0,6 / 2000 [Dahl'01]

4H / 50 % (Ni/P+) 1,3-1,8¥1015 /

30-50

3600 / JTE 6 / 100 43 104 / 2000 [Sait'00]

4H / 50 % (Ni/P+) 1,3-1,8¥1015 /

30-50

3700-3900 / JTE 6 / 100 31-41 105 / 3600 [Asan'00]

4H / (Ni/P+) 1016 / 13 1000 / JTE 6,4 200 / 1000 [Tone'00]



41

L'intérêt d'une telle structure est d'obtenir une chute de tension directe

plus faible qu'une diode bipolaire tout en ayant une courant de fuite inverse

plus faible qu'une diode Schottky. Dans le cas du SiC, ce type de composant

redresseur est, peut-être, l'issue majeure pour obtenir un véritable rival face aux

diodes pn silicium. La même métallisation sert pour le contact Schottky et pour

le contact sur le P+, il faut nécessairement un compromis pour la température de

recuit du métal (Ti ou Ni), les impératifs liés au contact ohmique sur P+

(~1000-1100 °C) et au contact Schottky sur N (~500-800 °C) étant différents.

5.5 MESFET et SITDes démonstrateurs de composants à base de SiC pour des applications

haute fréquence ont été fabriqués. Les structures classiquement utilisées sont

des composants de type MESFET ('Metal Semiconductor Field Effect

Transistor') ou SIT ('Static Inductive Transistor'). Ce sont des interrupteurs

unipolaires dont la commande de grille est un contact Schottky utilisé en

polarisation inverse. La technologie employée est essentiellement à base de

gravure, de contact Schottky et de contact ohmique le moins résistif possible.

Le substrat de départ est soit semi-isolant, soit conducteur se composant alors

d'une succession de quatre couches : N/P+/N/N++.

Les deux contacts Source et Drain sur N++ sont séparés par une gravure

totale de la couche N++ pour rejoindre la couche N, la grille est placée dans le

fond de gravure sur la couche N. Le dimensionnement de cette couche (~1017

cm-3) ainsi que la longueur de la grille (~0,5 µm) sont les paramètres

principaux régissant les performances d'un MESFET. Ces composants sont

évalués en terme de fréquence et de puissance. Un tableau regroupant les

performances actuelles obtenues dans la littérature est proposé ci-dessous. On

relève ainsi une aptitude du SiC-4H pour des composants fonctionnant à 3,3

W/mm à 10 GHz [Weit'99], voire même à 4,6 W/mm à 3,5 GHz [Cart'01]. A de



42

telles fréquences, la qualité des contacts est importante (capacités parasites), et

le composant fonctionne en régime de vitesse de saturation des porteurs.

Des problèmes de perte de gain à haute température (300-600 °C) ainsi

que de stabilité ont été constatés sur les substrats semi-isolants [Nobl'00]. Un

module à base de SIT destiné à des applications UHF (télévision) a été réalisé

[Sier'99].

dispositif Gm

(mS/mm)

fT

(GHz)

fmax

(GHz)

Idss

(mA/mm)

Vd

(V)

f

(GHz)

Rapport

cycle

P

(W/mm)

P

(W)

Ref

MESFET (4H-SiC) 6 20 300 60 2 AC 0,5 3 [Nobl'98]

MESFET (4H-SiC) 4 10 300 60 2 AC 1,7 1,7 [Nobl'98]

MESFET (4H-SiC) 160 60 2 AC 4 8 [Nobl'00]

MESFET (4H-SiC) 160 60 2 AC 2,5 5 [Nobl'00]

MESFET (4H-SiC) 35 8,5

18

13

22

50

25

275 10

40

40

2,1

7

4

AC

AC

0.8

2,1

15

10,5

[Alle'98]

MESFET (4H-SiC) 300 54 1.8 AC 2.8 0,9 [Weit'94]

MESFET (4H-SiC) 225 50 0,85

1,8

AC 3,1

2,3

[Weit'96]

MESFET (4H-SiC) 20 7,8 31 60 AC 0,1 [Nils'00]

MESFET (4H-SiC) 40 10 20 250 10 3,5 4 2 [Cart'99]

MESFET (4H-SiC)

HEMT

(GaN/AlGaN)

3,5

10

4,6

6,9

[Cart'01]

MESFET (4H-SiC)

MESFET (6H-SiC)

SIT module

(84 cell)

40

40

10

20

25

42

500

500

45

40

60

10

6

UHF

3,3

1,75

1,6

0,9

350

[Sier'99]

Gm : transconductance maximale / fT : fréquence de coupure à gain unitaire / fmax : fréquence de coupure

maximale / P (W/mm) : puissance de sortie par millimètre de largeur de grille / AC : signal sinusoïdal / Idss, Vd, f

: conditions de polarisation et de fréquence pour la puissance de sortie correspondante



43

5.6 MOSFET de puissanceLes MOSFETs de puissance réalisés rencontrent les mêmes problèmes

que les MOSFETs plans basse tension, c'est-à-dire, une mobilité des électrons

très faible dans le canal d'inversion et la mauvaise qualité de l'interface

SiO2/SiC. Ces préoccupations font que le SiC-4H n'est pas le meilleur candidat

pour le MOSFET de puissance en raison de sa mauvaise mobilité dans le canal,

et les meilleurs composants ont été réalisés sur 6H [Shen'97], ou prospectés sur

15R [Schö'99].

Le MOSFET plan n'est pas forcément une première étape vers le

MOSFET de puissance, la réalisation de la couche P+ est très différente dans

une configuration de puissance. Les premiers transistors MOS de puissance ont

d'ailleurs été des UMOS (MOSFET en tranchée) où la couche P+ est épitaxiée

et le canal 'porté' par le flanc de gravure entre la source et le drain. La

réalisation de cette couche par implantation pour la réalisation de DIMOS

(MOSFET Double Implanté) introduit une inconnue non négligeable qui est la

qualité de l'interface SiO2/SiC d'une zone implantée/recuite [Bass'98].

L'évaluation de LDMOS (MOSFET Latéral Diffusé) montre à nouveau

l'insuffisante mobilité du canal, mais les progrès obtenus sur les MOSFETs

plans [Kimo'01] peuvent, dans cette structure, être appliqués sans modification.

On note l'apparition d'un premier IGBT ('Insulated Gate Bipolar

Transistor'), réalisé sur des substrats fortement dopés (Al ou B) de type P

[Schu'01] [Bick'01]. La résistance série obtenue de 430 mΩ.cm2, pour une

tenue en tension de 400 V, ne le classe pas parmi les meilleurs interrupteurs sur

SiC.

Le tableau ci-dessous permet de se faire une idée des performances

obtenues par des interrupteurs MOSFETs en terme de tenue en tension, de

résistance série spécifique et de mobilité effective dans le canal.



44

Epitaxie

(N ou P)

[cm-3] / [µm]

VBR [V] RON

[mΩ.cm2]

µeff

[cm2.V-1.s-1]

VF [V]

/ JF [A.cm-2]

Ref

UMOS 4H 150

160

33

30

7-20 3,3 / 100

3 / 100

[Palm'94]

UMOS 4H 260

175

18

13.2

2,65 / 200 [Palm'96]

DIMOS 6H 1,7¥1016 / 10

6,5¥1015 / 10

510

760

66

120

17

26

6,5 / 100 [Shen'97]

UMOS 4H 1100 74 1,5 [Agar'97]

UMOS 4H 2¥1015 / 12 1400 74 1,5 [Agar'98]

LDMOS 4H 5¥1014 / 15 2600 0,5 µA [Spit'98]

LDMOS 6H 3¥1015 / 10 475 250-770 50 [Saks'99]

LDMOS 4H 1200 4000 0,5 [Chat'00]

LDMOS 4H 900 500 [Bane'01]

DIMOS 6H 1800 46 15 [Scho'00]

LDMOS 6H 1016 / 10 600 57 60 [Agar'00]

UMOS 4H 1015 / 25 1400 311 [Suga'98]

IGBT 6H

canal N

400 431 [Ryu'00]

5.7 MOSFET à accumulationUn moyen d'éviter les problèmes de mobilité faible du canal

d'inversion est de créer au préalable le canal par implantation ou épitaxie. Cette

méthode donne naissance à une autre gamme d'interrupteurs MOSFETs dits

Accu-MOSFETs (MOSFETs à accumulation). Dans ce type de composant, il

n'est plus question d'inversion sur type P mais de contrôler la résistivité d'une

zone de type N avec une commande par grille MOS. Suivant l'épaisseur et le

dopage du canal, le composant est normalement passant ou bloqué.

Les résultats obtenus montrent une nette amélioration des performances

des composants (RON=16 mΩ.cm2 pour VBR=1400 V [Tan'98]).

Quelques résultats concernant les MOSFETs à accumulation sont

proposés ci-dessous.



45

Epitaxie

(N ou P)

[cm-3] / [µm]

VBR [V] RON

[mΩ.cm2]

µncanal

[cm2.V-1.s-1]

Ref

UMOS 4H 1400 16 [Tan'98]

EC-FET 4H 450 11 100 [Hara'98]

EC-FET 6H 450 23 40 [Onda'97]

ACCUFET 6H 350 18 120 [Shen'98]

ACCU-

DMOSFET 4H

5-7¥1015 / 12 904

439

1200

90

8 [Sing'00]

SIAFET 4H 1015 / 50

5¥1014 / 75

2000

4500

172

387

[Suga'00]

5.8 JFETDans la continuité des MOSFETs à accumulation, les composants dits

'JFET' ('Junction Field Effect Transistor') permettent d'obtenir des résistances

série faibles (RON=14 mΩ.cm2 pour VBR=1800 V [Mitl'00]). Des essais de JFET

pour des applications haute fréquence ont été réalisés [Shep'98] [Ivan'98].

Le composant étudié par P. Friedrichs [Mitl'00] présente des

caractéristiques intéressantes et est le meilleur interrupteur unipolaire obtenu

sur SiC. Les quelques JFET réalisés sont présentés ci-dessous.

Epitaxie

[cm-3] / [µm]

VBR [V] RON

[mΩ.cm2]

µncanal

[cm2.V-1.s-1]

remarques Ref

JFET 6H (HF) 8¥1016 217 1,2 mA/mm

W/L=100/20

[Shep'98]

JFET 6H (SIT)

(HF)

700 40-60 mA

W/L=720/10

[Ivan'98]

JFET 4H 1,2¥1016 / 9

5¥1015 / 14

3¥1015 / 23

600

1200

1800

21,5

22,5

24,5

[Frie'00]

JFET 4H 3¥1015 / 23 1800 14 [Mitl'00]



46

5.9 Thyristor (GTO)Les thyristors GTO ('Gate Turn Off') ont été parmi les premiers

interrupteurs obtenus sur SiC [Palm'96]. Ils sont réalisés à partir de quatre

couches épitaxiées (N/P/N/P) et nécessitent une gravure locale pour atteindre la

couche (P) correspondant à la gâchette. Les performances des composants

obtenus montrent une tenue en tension de 2600 V pour une résistance série

spécifique de 3,3 mΩ.cm2 [Palm'00]. Les densités de courant atteintes sont

élevées, de l'ordre de 4000 A.cm-2. La durée de vie ambipolaire (τe+τh) estimée

dans le Thyristor GTO 2600 V [Palm'00] est de 0,6-3,6 µs ; dans les autres

thyristors présentés ci-dessous, elle est de 50-300 ns.

Epitaxie

[cm-3] / [µm]

VBR

[V]

RON

[mΩ.cm2]

JF [A.cm-2]

/ VF [V]

I [A]

/ VF [V]

Commutation

On (délai+tr) / Off

(délai+toff) [ns]

Ref

GTO 4H 900

700

200

1,7

0,82

625 / 3,93

1000 / 3,67

2 / 3,93

6 / 3,67

[Palm'96]

GTO 4H 5¥1014 / 14 1000 13 1600 / 11,5

1000 / 3,5

4,2 / 11,5

tr=130 / tf=55

[Casa'98]

[Sesh'98]

GTO 4H 3¥1014 / 14 800 0,4 500 / 3,2

1000 / 3,4

2,5 / 3,3 [Sier'99]

GTO 4H 7-9¥1014 / 50 2600 3,3 700 / 6,5

100 / 4,5

12 / 6,5 τambipolaire=0,6-3,6 µs [Palm'00]

[Agar'01]

GTO 4H 1200 3 100 / 5 280+350 / 85+200 [Ghez'00]

GTO 4H

(impl.)

250 1 / 8,7 [Chow'01]

GTO 4H 2,1¥1015 / 13 1200 1250-4000 100+20 / 20+200 [Furs'00]

5.10 Perspectives des composants de puissance sur SiCLes courbes représentées sur les figures suivantes (figure 2-10 à figure

2-13) synthétisent les résultats obtenus sur les composants de puissance haute

tension.



47

102 103 1040

2

4

6

8

10 pn 4H pn 6H

V F [

V]

à 10

0 A

/cm

2

VBR [V]

figure 2-10 : Diodes pn SiC. Chute detension, VF, à 100 A.cm-2 en fonction de latension de claquage, VBR.

102 103 1040

2

4

6

8

10

V F [V

] à

100

0 A

/cm

2

VBR [V]

figure 2-11 : Thyristors GTO (SiC-4H).Chute de tension, VF, à 1000 A.cm-2 enfonction de la tension de claquage, VBR.

102 103 10410-1

100

101

102

SB 4H JBS 4H JBS 6H

SiC-4H

SiC-6H

Si

RD

YN-S

PE [

mΩ ΩΩΩ

.cm

2 ]

VBR [V]

figure 2-12 : Diodes Schottky (SB) et JBS.Résistance dynamique spécifique, RDYN-

SPE, en fonction de la tension de claquage,VBR, et limite théorique du Si, SiC-6H etSiC-4H.

102 103 10410-1

100

101

102

103

104

ΜΜΜΜ

ΜΜΜΜ

ΜΜΜΜ

ΜΜΜΜ

C

CC

SiC-4H

SiC-6H

Si

MOSFET Accu MOSFET JET IGBT 6H

ΜΜΜΜ power mosfet SiC coolmos Si

RO

N-S

PE [

mΩ ΩΩΩ

.cm

2 ]

VBR [V]

figure 2-13 : Interrupteurs unipolairesMOSFET, Accu-MOSFET, JFET en SiC ainsique des MOSFETs de puissance Si et desCoolMOSTM Si. Résistance sériespécifique, RON-SPE, en fonction de latension de claquage, VBR, et limitethéorique du Si, SiC-6H et SiC-4H.



48

Le principal handicap des diodes bipolaires SiC est leur chute de

tension élevée en direct par rapport aux diodes silicium (différence qui semble

s'atténuer expérimentalement avec l'augmentation du calibre tension/courant

considéré). Elles sont cependant très performantes en commutation grâce à des

durées de vie des minoritaires faibles. Des tests comparatifs de diodes pn SiC

placées dans un contexte système ont été effectués [Lend'00] [Lend'01]. Dans le

cas d'un module IGBT-Si/diode-pn-Si, le remplacement de la diode pn Si par

une diode pn SiC induit une réduction des pertes totales de 95 % (module 2500

V, test sous 150 A et 400 A, la surface de la diode SiC est de 40 mm2). La

diode SiC fut fabriquée sur une plaquette où une cartographie des micropores

'tueurs de composants' [Neud'94] avait été dressée au préalable. Les diodes

Schottky SiC sont plus à même de concurrencer les diodes pn silicium pour des

tensions inférieures à 1000 V. Le remplacement d'une diode Si par une diode

Schottky SiC-4H dans un module IGBT-Si/Diode-pn-Si (module 600 V / 50 A,

la surface de la diode SiC est de 16 mm2) a conduit à une réduction de 70 % des

pertes du module. Pour ce qui est des interrupteurs, les thyristors présentent des

temps de commutation faibles et ont été évalués au sein d'un système [Sesh'00]

composé entièrement de composants SiC (4 GTO, 36 JFET et 6 diodes, pour un

circuit PWM dissipant 0,45 W à 100 kHz à l'ouverture). Les composants

MOSFETs en SiC sont directement concurrencés par les MOSFETs de

puissance silicium (figure 2-13) [Sagg'00] et surtout par la dernière génération

à 'super-jonction' dit "CoolMOSTM" [Lore'99] dont les évolutions [Mina'00]

[Nitt'00] permettent, non pas, de repousser les limites du silicium, mais de

l'utiliser au mieux. L'évaluation des performances de tels composants en SiC a

été simulée [Adac'01] et annonce peut-être l'arrivée des MOSFETs SiC

exceptionnels. En attendant, la tendance est plutôt à l'Accu-MOSFET ou au

JFET actuellement très performants. L'association optimale

interrupteur/redresseur actuellement disponible sur le marché est un CoolMOS-

Si avec une diode Schottky SiC-4H (Infineon, avril 2001).



49

6 Paramètres électriques du SiC et modèles de simulations

Le logiciel de simulation utilisé est un produit commercial développé

et vendu par ISE TCAD [Ise'98]. Il comporte un ensemble d'outils permettant

de faire de la simulation 2D et 3D par éléments finis de composants à base de

semi-conducteurs. Une structure est décrite en terme de régions (oxyde, métal,

semi-conducteur) et de profils de dopage. Les équations de la physique des

semi-conducteur sont résolues (équation de continuité et de Poisson) à chaque

nœud du maillage. Il est possible de prédire le comportement d'un composant

par simulations électriques et électrothermiques. La crédibilité des résultats de

simulation repose en grande partie sur la validité des modèles physiques utilisés

(valeur de la bande interdite, mobilité, ionisation par impact, etc). Nous

proposons dans ce paragraphe d'exposer les principaux modèles physiques

utilisés et leurs paramètres extraits de la littérature pour les polytypes 4H et 6H.

6.1 Modèles de bande interdite et masse effectiveLe modèle de variation de la bande interdite, EG, en fonction de la

température est décrit par l'équation suivante :

( ) ( )0G GE T E Tα= − (1)

avec :polytypes Eg(0) [eV] α [eV.K-1]

4H 3,26 -3,3¥10-4

6H 3,02 -3,3¥10-4

[Harr'95]

200 400 600 800 1000 12002,6

2,7

2,8

2,9

3,0

3,1

3,2

3,3

SiC-6H

SiC-4H

E G [

eV]

T [K]

figure 2-14 : EG [eV] en fonction de T [K]



50

Les structures de bande diffèrent suivant le polytype. Dans le polytype

6H, le minimum de la bande de conduction est situé à ~70 % de M-L de la zone

de Brillouin [Lamb'97] [Chen'97], ce qui porte à 6 le nombre de vallées de

bande de conduction. Pour le 4H, le minimum est localisé en M, il y a donc 3

vallées de bande de conduction.

La détermination des masses effectives longitudinales et transversales

est théoriquement [Pers'97] [Lamb'97] et expérimentalement [Son'00] [Son'94]

[Chen'97] capable de donner des résultats reproductibles pour le 4H et le 6H. Il

reste cependant à compléter des mesures de masses effectives des trous dans le

6H [Meye'00]. La masse effective est de plus anisotropique dans le 4H

[Chen'97] et théoriquement dans le 6H. Le tableau suivant donne les valeurs de

masses effectives utilisées en simulation ainsi que les densités d'états dans la

bande de conduction et bande de valence :

6H 4H

mt ml mt mlMasses effectives des électrons [¥m0]

0,42 2 0,42 0,33

( )1

2 2 3,d e t lm r m m= [¥m0]

r=6

md,e=2,33

r=3

md,e=0,80

md,h [¥m0] md,h =1 md,h =1,2

32

,2

22 d e B

C

m k TN

hπ =

[cm-3]

T=300 K

9,04¥1019

T=300 K

1,84¥1019

32

,2

22 d h B

V

m k TN

hπ =

[cm-3]

T=300 K

2,54¥1019

T=300 K

3,34¥1019

k=1,380658¥10-23 J.K-1

q=1,6¥10-19 C

kB=k/q=8,63¥10-3 eV.K-1

h=6,626¥10-34 J.s

m0=9,1¥10-31 kg

3 32 2, ,19

,0

2,5409 10300

d e hC V

m TNm

= × [cm-3] (2)



51

Faute de données suffisantes dans la littérature, nous ne tiendrons pas

compte des variations de la masse effective en température. La figure 2-15

montre les variations des densités d'états, NV et NC, en fonction de la

température suivant l'équation (2).

200 400 600 800 1000 12001018

1019

1020

1021

NV

NC

NC, N

V (S

iC-6

H)

[cm

-3]

T [K]200 400 600 800 1000 1200

1018

1019

1020 NV

NC

NC, N

V (SiC

-4H

) [c

m-3

]

T [K]

figure 2-15 : Variation des densités d'états, NV et NC, en fonction de la température àmasses effectives constantes.

6.2 Concentrations d'électrons et de trousLa concentration de porteurs intrinsèques d'un semi-conducteur est

donnée par :

( ) ( ) ( ) ( )exp2

Gi C V

B

E Tn T N T N T

k T

= −

(3)

La variation de la largeur de la bande interdite avec la température est

donnée par l'équation (1) dans le cas du SiC-6H et SiC-4H, NC,V(T) est donné

par l'équation (2).



52

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 120010-8

10-6

1x10-4

10-2

100

102

104

106

108

1010

1012

1014

SiC-4H

SiC-6H

n i [

cm-3

]

T [K]

figure 2-16 : Concentration intrinsèque dans le SiC-6H et 4H en fonction de latempérature.

6.2.1 Cas du type N (dopage azote) :

L'impureté N introduit différents niveaux donneurs dans le SiC-4H et

6H (cf. §4.1.4). Pour le SiC-4H, les deux niveaux donneurs sont situés à 51

meV et 92 meV sous la bande de conduction respectivement pour le site

hexagonal et le site cubique [Götz'93] [Greu'97]. Pour le SiC-6H, le niveau

correspondant au site hexagonal est situé à 80 meV sous la bande de

conduction, les deux sites cubiques à ~140 meV.

L'intégration de plusieurs niveaux donneurs pour une impureté n'est

pas possible dans ISE. Dans le cas du SiC-4H, son pourcentage d'hexagonalité

est de 50 % (1 h, 1 k), la concentration d'électrons peut être décrite par la

relation suivante :

0,5 0,5

1 exp 1 exp

D Dcomp

C h C kD D

C B C B

N Nn NE E E En ng g

N k T N k T

+ = + − −+ +

(4)

avec Eh=51 meV, Ek=92 meV, Facteur de dégénérescence, gD=2.



53

En faisant l'approximation à un seul niveau, ED, on a donc :

1 exp

Dcomp

C DD

C B

Nn NE Eng

N k T

+ = −+

(5)

En prenant EC-ED=70 meV, on obtient une bonne approximation du

modèle à deux niveaux donneurs [Bako'97], comme le montre la figure 2-17.

La même méthode est appliquée au SiC-6H (hexagonalité de 33 %) en

définissant un niveau donneur à 120 meV sous la bande de conduction.

1014 1015 1016 1017 1018 1019 10201014

1015

1016

1017

1018

1019

n

[cm

-3]

ND [cm-3]

6H (120 meV) 6H (80 et 140 meV) 6H (120 meV) Ncomp=1015 cm-3

6H (80 et 140 meV) Ncomp=1015 cm-3

1014 1015 1016 1017 1018 1019 10201014

1015

1016

1017

1018

1019

n

[cm

-3]

ND [cm-3]

4H (70 meV) 4H (51 et 92 meV) 4H (70 meV) Ncomp=1015 cm-3

4H (51 et 92 meV) Ncomp=1015 cm-3

figure 2-17 : Concentration d'électrons, n, en fonction du dopage azote, ND, dans le casd'un modèle à deux niveaux donneurs et d'un modèle à un seul niveau donneur pour leSiC-4H et SiC-6H, avec et sans prise en compte d'une compensation Ncomp=1015 cm-3 (à300 K).

6.2.2 Cas du type P (dopage aluminium)

Une bonne approximation de ses niveaux accepteurs dans le SiC-4H et

6H est de respectivement 190 meV et 240 meV (cf.§4.1.4).

L'expression analytique donnant la concentration de trous s'écrit alors :



54

1 exp

Acomp

V AA

V B

Np NE Epg

N k T

+ = −+

(6)

avec gA=4, EV-EA=190 meV, pour le 4H,et EV-EA=240 meV, pour le

6H.

La concentration de trous calculée à partir de l'équation (6) est

proposée sur la figure 2-18 en fonction de la concentration d'atomes accepteurs

dans le cas du SiC-4H et SiC-6H.

1014 1015 1016 1017 1018 1019 10201014

1015

1016

1017

1018

p

[cm

-3]

NA [cm-3]

4H (190 meV) 4H (190 meV) Ncomp=1015 cm-3

6H (240 meV) 6H (240 meV) Ncomp=1015 cm-3

figure 2-18 : Concentration de trous, p, en fonction du dopage aluminium, NA, pour leSiC-4H et SiC-6H, avec et sans prise en compte d'une compensation, Ncomp=1015 cm-3 (à300 K).

6.3 MobilitéLe modèle de mobilité que nous utilisons en simulation est une

formulation analytique proposée par Caughey et Thomas [Caug'67] adaptée au

carbure de silicium. Elle permet de décrire la variation de la mobilité en

fonction de la concentration totale de dopants ionisés et de la température par la

relation :



55

max min 2

, min1300

1n p

i

r

Tµ µµ µ

NC

ξ

α

− − = +

+

(7)

avec Ni=NA-+ND

+, concentration totale de dopants ionisés.

Les paramètres de l'équation (7) ont été ajustés par rapport à quelques

valeurs de mobilité présentes dans la littérature [Sier'99] [Negl'94] [Scha'94]

[Taka'00] [Kimo'97] [Matu'94]. La figure 2-19 montre les courbes ajustées pour

la mobilité des électrons et des trous à 300 K.

1013 1014 1015 1016 1017 1018 1019 10200

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

µ n dan

s 4H

[cm

2 /Vs]

Concentration n [cm-3]

[Sier'99] [Scha'94] [Kimo'97] [Taka'00]

(a)

1013 1014 1015 1016 1017 1018 1019 10200

100

200

300

400

500

µ n dan

s 6H

[cm

2 /Vs]

Concentration n [cm-3]

[Lark'94] [Scha'94] [Kimo'97]

(b)

figure 2-19 : Variation de la mobilité desélectrons dans le SiC-4H (a), le SiC-6H(b) et de la mobilité des trous (c), enfonction de la concentration de porteursn ou p à 300 K. On considère uneionisation complète des dopants, soitn=ND et p=NA. Sur le graphique (a) sontreportées deux courbes "enveloppe"entourant la courbe retenue.

1014 1015 1016 1017 1018 1019 10200

50

100

150

6H

4H

µ p da

ns 4

H e

t 6H

[cm

2 /Vs]

Concentration p [cm-3]

[Lark'94] 4H [Scha'94] 4H [Lark'94] 6H [Scha'94] 6H

(c)



56

Les paramètres correspondant aux courbes de la figure 2-19 sont

consignés dans le tableau ci-dessous.

4H 6HParamètres

µn µp µn µp

µmax [cm2.V-1.s-1] 870 120 450 105

µmin1 [cm2.V-1.s-1] 0 0 0 0

µmin2 [cm2.V-1.s-1] 0 0 0 0

Cr [cm-3] 2¥1017 5¥1019 3¥1017 3¥1019

α 0,55 0,3 0,5 0,3

ξ 2 2 2 2

La dépendance en fonction de la température suivant T-2 est issue de la

littérature qui donne un domaine de variation de T-1,5 à T-2,5 [Hari'98] [Götz'93]

par effet Hall. D'autres références proposent T-2,2 à T-2,6 extrait à partir de

mesures sur des composants de variations de résistivité ou de mobilité [Frie'00]

[Kimo'01]. La variation en T-1,5 est valable pour T<300 K [Hari'98], T-2 pour T

de 300 à 900 K et T-2,5 pour T>900 K. Une variation en ~T-2 est un compromis

valable [Bako'97] [Ruff'93].

Comme la masse effective, la mobilité est anisotropique dans le SiC-

4H et SiC-6H. La littérature s'accorde autour d'un rapport d'anisotropie de 0,8

pour le SiC-4H et de 4,5 pour le SiC-6H [Deva'94] [Mick'98] [Negl'94]

[Kino'98].

Soit, pour le SiC-4H:

0,8c

cµµ ⊥=

et, pour le SiC-6H:

4,5c

cµµ ⊥=

Le facteur d'anisotropie varie également avec le dopage [Velm'00].



57

Les paramètres donnés dans le tableau précédent sont relatifs à cµ⊥ .

L'anisotropie du matériau n'étant pas prise en compte par le simulateur d'ISE, et

seront utilisés ces paramètres pour les simulations présentées dans le chapitre 3.

6.3.1 Mobilité à fort champ électrique

La vitesse des porteurs dans un semi-conducteur est proportionnelle au

champ électrique de conduction, v µE= . La vitesse de transport des porteurs

augmente avec le champ électrique jusqu'à un maximum appelé vitesse de

saturation ou vitesse limite, vsat.

Une formulation analytique proposée par Canali [Cana'75] est :

,, 1

,

( )

1

n pn p

n p

sat

µµ E

µ Ev

α α

= +

(8)

Quelques résultats publiés dans la littérature [Khan'00] [Muen'75] et

des calculs théoriques [Bell'00] tendent vers des vitesses de saturation estimées

de 2¥107 cm.s-1 et de 2,2¥107 cm.s-1 pour respectivement le SiC-6H et SiC-4H,

suivant une direction perpendiculaire à l'axe c.

La vitesse limite est également anisotropique et serait plus faible

parallèlement à l'axe c. Elle serait, pour les électrons, de 3,3¥106 cm.s-1 dans le

SiC-4H et de 2¥106 cm.s-1 dans le SiC-6H [Sank'00]. Selon des simulations

Monte-Carlo [Bell'00], la vitesse des porteurs ne tendrait pas vers une valeur

limite mais présenterait un maximum situé à E=2¥105 V.cm-1 puis diminuerait

pour des champ électriques supérieurs. Ainsi la vitesse limite des électrons

dans le SiC-4H présenterait un 'pic' à 2,3¥107 cm.s-1 et à 1,6¥107 cm.s-1

respectivement perpendiculairement et parallèlement à l'axe c. La vitesse limite

des trous dans le SiC-4H serait d'environ 7¥106 cm.s-1 à 106 V.cm-1.



58

Le modèle utilisé (équation (8)) dans les simulations est insuffisant

pour décrire ce type de comportement et il ne tient pas compte de l'anisotropie

du matériau. Faute de mieux, nous utiliserons une formulation commune pour

le SiC-4H et le SiC-6H, avec vsat=2¥107 cm.s-1 et α=2 comme valeur des

paramètres de l'équation (8). Le résultat de cette formulation est proposé sur la

figure 2-20.

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00,0

5,0x106

1,0x107

1,5x107

2,0x107

v e [c

m/s

]

E [MV/cm]

4H [Khan'00] 6H [Khan'00] ISE 4H 6H

figure 2-20 : Vitesse des électrons dans le SiC-4H et SiC-6H en fonction du champélectrique de conduction.

L'influence de la température sur la vitesse limite des porteurs est prise

en compte empiriquement par l'équation (9) :

( ) ( )0,5300300sat satv T v K

T =

(9)

6.4 Durée de vie des porteurs minoritairesLa durée de vie des minoritaires n'a pour l'instant pas trouvé de

formulation analytique pour exprimer ses variations en fonction du dopage. Des

mesures ont été effectuées soit par estimation de la durée de vie ambipolaire

extraite des formes d'onde du courant de recouvrement d'une diode au blocage

[Udal'00] soit par les mesures de génération optique de porteurs [Shis'98]



59

[Griv'99] [Griv'98]. La durée de vie des minoritaires est d'environ 5 µs dans

une épitaxie de type N (azote, 1015 cm-3) dans le SiC-4H à faible niveau

d'injection. Elle décroît jusqu'à environ 50 ns pour des forts niveaux d'injection.

La durée de vie des électrons dans du SiC de type P est peu étudiée et les

principales mesures de la littérature concernent les trous. La durée de vie

semble augmenter avec la température [Udal'00] suivant une loi du type αT2.

Les recombinaisons de type Shockley-Read-Hall sont généralement

simulées via un niveau situé au milieu du gap [Bako'97] et une première

estimation des mécanismes de recombinaison Auger a été étudiée [Gale'98].

6.5 Ionisation par impact et claquage par avalancheLes électrons libres d'un cristal se déplaçant sous l'effet d'un champ

électrique voient leur énergie augmenter avec leur vitesse. Si l'énergie qu'ils

acquièrent grâce au champ électrique est suffisante pour, par interaction avec le

réseau, ioniser d'autres atomes il y a alors génération de porteurs par

mécanisme d'ionisation par impact. L'énergie acquise par un électron libre

durant le libre parcours moyen λ est qλE et l'énergie d'ionisation d'un électron

de la bande de conduction est qχ. Dans le cas d'une zone de charge d'espace

déserte, le mécanisme d'ionisation par impact est décrit par un coefficient M de

multiplication du courant :

11

MI

=−

(10)

où I est l'intégrale d'ionisation.

On considère qu'il y a claquage par avalanche lorsque M tend vers

l'infini, ou I=1. Nous n'entrerons pas dans le détail du calcul de l'intégrale

d'ionisation et donnerons seulement son expression pour les électrons In et les

trous Ip, dans le cas d'une jonction pn (abrupte) en inverse :

( )( ) ( )( ) '

X p

p n px

n

X E E dx

n nX

I E e dxα α

α−∫

= ∫ et ( )( ) ( )( ) '

x

p p nX p

n

X E E dx

p pX

I E e dxα α

α−∫

= ∫



60

Une formulation analytique des coefficients d'ionisation, αn,p, en

fonction du champ électrique E est proposée par Chynoweth [Chyn'58] :

( ),

, ,

n pbE

n p n pE a eγ

α γ−

= (11)

avec γ : coefficient tenant compte de la variation des coefficients

d'ionisation en fonction de la température.

tanh600

tanh2

op

op

hk

hkT

ω

γω

=

(12)

γ est fonction de l'interaction avec les phonons du réseau par

l'intermédiaire de ωop, fréquence de vibration des phonons (hωop=120 meV

[Pers'97]). Des valeurs des coefficients caractéristiques an,p et bn,p de l'équation

(11) ont été évaluées expérimentalement [Ragh'97] [Ragh'99] [Kons'97]

[Kons'98] et théoriquement [Bell'00].4H 6H

an

[cm-1]

bn

[V.cm-1]

ap

[cm-1]

bp

[V.cm-1]

an

[cm-1]

bn

[V.cm-1]

ap

[cm-1]

bp

[V.cm-1]

[Ragh'97] 2,5¥106 1,48¥107 2,5¥106 1,48¥107 2,5¥106 1,48¥107 2,5¥106 1,48¥107

[Ragh'99] 3,25¥106 1,7¥107 2,6¥106 1,5¥107

[Konst'97] 0,4¥106 1,67¥107 16,3¥106 1,67¥107 0,4¥106 1,67¥107 16,3¥106 1,67¥107

[Konst'98] 16¥106 1,65¥107

[Bell'00] 0,4¥106 2¥107 3,5¥106 1,7¥107 0,4¥106 2¥107 2,6¥106 1,6¥107

Nous choisirons, pour les simulations ISE, les coefficients extraits du

travail de H. E. Nilsson [Bell'00], ils se recoupent avec les résultats

expérimentaux de R. Raghunathan [Ragh'99] et de A. O. Konstantinov

[Kons'97]. Nous prendrons an=ap et bn=bp et des valeurs communes au SiC-4H

et 6H, car l'anisotropie concerne également les coefficient d'ionisation et ils

apparaissent plus élevés et similaires pour les deux types de porteurs suivant

une direction perpendiculaire à l'axe c. Ce choix constitue ainsi un compromis



61

pour les simulations 2D vis-à-vis de l'impossibilité de la description

anisotropique des coefficients d'ionisation. Une expression du champ de

claquage, EC [V.cm-1], en fonction du dopage est proposée par R. Raghunathan

[Ragh'99] et par A. O. Konstantinov [Kons'98] :

[Ragh'99] : ( )1

4 76H 1,52 10CE N= × et ( )1

4 74H 1,64 10CE N= ×

[Kons'98] : ( )6

16

2, 49 104H1 0,25log

10

CEN

×= −

1014 1015 1016

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

Ec=1,64 104*(N)1/7

12

35

30

25

20

15

10

5

13

30-50

27

91010

35

29

50

31

1212

50

40

10

35 26

12

39

26

14

5,6

45

2427

15 13

2743

1213

1010

92

22

42V BR [

V]

Dopage [cm-3]

(a)

1014 1015 1016

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000Ec=2,49 106/(1 - 0,25*log(N/1016))

12

40

35

30

25

20

15

10

513

30-50

27

91010

35

29

50

31

1212

50

40

10

35 26

12

39

26

14

5,6

45

2427

15 13

2743

1213

1010

92

22

42V BR [

V]

Dopage [cm-3]

(b)

figure 2-21 : Tension de claquage VBR [V] en fonction du dopage [cm-3] et de l'épaisseur[µm] de la couche tenant la tension pour le SiC-4H. (a) expression de EC(N) donnée par[Ragh'99]. (b) expression de EC(N) donnée par [Kons'98]. Les réseaux de courbes sonttracés pour une épaisseur de couche variable indicée à gauche en µm. Figurentégalement les résultats de tenue en tension de la littérature pour les redresseurs avecune annotation spécifiant l'épaisseur de la couche utilisée. L'utilisation a priori deséquations Ec(N) conduit à une fausse diminution de la tension de claquage avec ladiminution du dopage (courbes en pointillés) pour une épaisseur de couche donnée,une correction est alors nécessaire proposant une valeur constante de Vbr (traitscontinus) égale à la valeur maximale de Vbr(N) pour une épaisseur de couche donnée.

A la vue des courbes de la figure 2-21, l'efficacité des protections

périphériques utilisées est d'au mieux 70 % selon R. Raghunathan [Ragh'99] et

de 80-90 % selon A. O. Konstantinov [Kons'98].



62

6.6 Conductivité thermique, λλλλLa capacité thermique volumique du SiC est d'environ 3 J.cm-3.K-1 à

500 K, elle varie suivant la loi de Debye (θD=1200 K) [Slac'64]. Elle est

considérée comme constante dans les simulations électrothermiques avec ISE.

La conductivité thermique du SiC décroît avec la température et a été

mesurée par [Slac'64] et [Müll'98] pour deux types de matériaux différents. La

pureté du matériau se traduit en terme de gain de conductivité thermique, c'est

d'ailleurs une méthode utilisée par CREE pour estimer rapidement la qualité de

ses substrats. Le modèle de variation de la conductivité thermique en fonction

de la température intégré dans ISE est :

( ) 2

1Ta bT cT

λ =+ +

(13)

La figure 2-22 propose les variations de λ en fonction de T en

superposant les mesures [Slac'64] [Mull'98] et le modèle utilisé dans ISE avec

les paramètres de l'équation (13) suivant :

a=0,01 W-1.cm.K, b=6¥10-4 W-1.cm, c=6¥10-7 W-1.cm.K-1

0 150 300 450 600 750 900 1050 1200 1350 15000

1

2

3

4

5

6

SiC ISE

SiC 'pur' Méthode Lely

SiC-6H (Lely modifiée)

λ λλλ

[W

/cm

.K]

T [K]

[Slac'64] ISE [Mull'98]

figure 2-22 : Variation de la conductivité thermique λλλλ en fonction de la température.Comportement directement relié à la pureté du matériau.

Chapitre 3 : Conception d’un limiteur de courant en SiC-4H


63

Chapitre 3

CONCEPTION D’UN LIMITEUR DE

COURANT EN SIC-4H

Nous proposons dans ce chapitre une étude d'un limiteur de courant en

SiC-4H. La démarche utilisée s'inscrit dans une logique de conception autour

d'une architecture possible pour ce composant. La structure proposée, dite

structure "planar", sera décrite ainsi que son principe de fonctionnement. La

simulation par éléments finis avec ISETM TCAD donnera une indication sur

l'influence des paramètres de conception sur le comportement électrique du

composant que ce soit en régime statique (sans température) où en régime

dynamique avec prise en compte de l'auto-échauffement (simulation

électrothermique). L'éventualité d'une commande du dispositif sera discutée.

Une étude de la tenue en tension avec et sans la périphérie envisagée terminera

la conception du composant. Une réflexion technologique conduira la mise en

place d'un processus de fabrication ainsi que les compromis adoptés.



64

1 Présentation de la structure dite "planar"

1.1 Description

SOURCE

DRAIN

eox

XJP+

XJCANAL

LCANAL LINTER

LCsourceLCP

1/2 Cellule

N++NCANAL

NEPI

NWAFER

P+P++

SiO2

WN EPI

WN WAFER

N++

figure 3-1 : Description des variables utilisées pour la conception du limiteur "planar"

L'architecture du limiteur étudiée reprend une structure classique de

Mosfet "vertical" de puissance, c'est-à-dire, une région de drain comprenant

une zone faiblement dopée N chargée de tenir la tension ainsi qu'une couche

N++ garantissant une ohmicité du contact de drain. Dans la structure Mosfet, la

partie active comprend une zone P+ débordant sous l'oxyde de grille et dans

laquelle sera créé le canal d'inversion autorisant le passage d'un courant du

drain vers la source. La source contacte la couche N++ ainsi qu'une couche P++

(reliée à la couche P+) et réalise de ce fait un court-circuit "bulk"-source. Dans

notre structure, une couche N préformée, dite "NCANAL", crée un chemin de

conduction possible entre la source et le drain. Le contact de source proposé

court-circuite la région P+ (à travers P++), la région N++ (source) et la grille. Le

canal est défini, comme dans le MOSFET de puissance, par la région N située



65

entre le P+ et l'oxyde de grille. Le dispositif résultant est un composant à deux

électrodes où la conduction est assurée par les porteurs majoritaires : les

électrons. On peut le classer dans la 'famille' des Accu-MOSFETs normalement

passants.

La figure 3-1 expose les différentes variables de conception définissant

complètement le composant. Le tableau suivant donne le lexique employé ainsi

qu'une définition des différents paramètres relatifs à une ½ cellule:

Couche d'oxyde (SiO2) :

eox : épaisseur de l'oxyde

Région NCANAL :

LCANAL : longueur du canal

NCANAL : dopage maximal du canal

XJCANAL : profondeur du canal

Région N++ :

LCsource : largeur du

contact de source sur N++

N++ : niveau de dopage de

surface

Région P++ :

LCP : largeur de

la couche P+

P++ : niveau de

dopage de surface

Région P+ :

LCsource+LCP+LCANAL : largeur totale de la couche P+

XJP+ : profondeur de la jonction P+/NEPI

P+ : niveau de dopage maximal

LINTER : ½ largeur intercellule

Epitaxie N :

NEPI : niveau de dopage de la couche épitaxiée

WNEPI : épaisseur de la couche épitaxiée

Substrat N+ :

NWAFER : niveau de dopage du substrat N+

WNWAFER : épaisseur du substrat N+



66

1.2 Principe de fonctionnement

N++ N++NCANAL

NEPI

NWAFER

P+

P++

SOURCE

DRAIN+

SiO2

P+P+

ZCEZCE

P+co

ura n

t

figure 3-2 : Schéma de la structure dite "planar". Fonctionnement du composant sousVDS>0 V.

Une polarisation drain-source positive entraîne l’apparition d’un

courant de majoritaires (électrons) du drain vers la source (figure 3-2). Les

électrons traversent successivement les couches N++, NCANAL, NEPI et NWAFER.

La polarisation utilisée provoque l’apparition d’une zone de charge d’espace

(ZCE) fixe due à la jonction P+/NEPI en inverse. Cette ZCE s’étend

principalement dans la couche épitaxiée NEPI et également dans la couche

NCANAL (jonction NCANAL/P+ faiblement polarisée en inverse). Le courant

augmente linéairement avec la tension jusqu’au pincement du canal dû à

l’extension de la ZCE située en fin de canal, coté drain. La ZCE en fin de canal

interdit alors toute augmentation d’intensité du courant le traversant. Le courant

est constant quelle que soit la tension VDS appliquée. La figure 3-2 illustre

symboliquement le passage du courant d'électrons.

L'utilisation d'un logiciel de simulation "fine" pour la conception et

l'optimisation de composants à semi-conducteur est indispensable pour tenir

compte de l'aspect 2D (voire 3D) et obtenir des informations concernant les



67

grandeurs physiques telles que le champ électrique ou la densité de courant aux

points 'sensibles' de la structure. Les simulations suivantes sont issues de

structures "planar" modélisées par ISE.

2 Simulations électriques statiques

2.1 Structure simulée

La figure 3-3 présente la structure utilisée pour les simulations de type

éléments finis. La réduction du dispositif à "sa maille élémentaire" (en terme de

symétrie de potentiel) permet d'optimiser le rapport qualité de la simulation

(directement lié au nombre de nœud) et temps de calcul.

N++ Ncanal

Népi

Nwafer

Pcaisson

P++

SOURCE

DRAIN

SiO2

figure 3-3 : Schéma en coupe de la structure utilisée en simulation.



68

Nous étudierons l'influence des principaux paramètres de la partie

active tels que :

• La longueur du canal : LCANAL

• Le niveau de dopage du canal : NCANAL

• Son épaisseur : XJCANAL

• L'espacement entre les caissons P+ : LINTER

• L'épaisseur d'oxyde : eOX

Pour garder des temps de calcul raisonnables, les structures simulées

pour les études suivantes auront volontairement leur couche NWAFER réduite

pour optimiser la répartition des nœuds de maillage dans la structure. Le

substrat est réduit à une épaisseur de 2 µm et un niveau de dopage N de 1019

cm-3, les résistances spécifiques obtenues en simulation sont donc

représentatives de la partie active du composant. Lors de simulations plus

complètes les spécificités de la plaquette seront intégrées dans les calculs. Les

simulations électrothermiques prendront en compte toute l'épaisseur de SiC

réelle.

Dans chaque cas d'étude, nous évaluerons l'impact du paramètre

concerné sur le champ électrique, la densité de courant à travers l'analyse de

ces grandeurs aux niveaux des points sensibles de la structure. La figure 3-4

répertorie les principales coupes utilisées en les situant au sein de la structure :

1. Coupe transversale au milieu du canal

2. Coupe transversale en fin de canal

3. Coupe transversale au centre de l'intercellule

4. Coupe longitudinale dans le canal

5. Coupe longitudinale dans l'intercellule



69

figure 3-4 : Représentation de la structure étudiée ainsi que les axes de coupes utiliséspour l'extraction des grandeurs électriques (J,E).

2.2 Influence du dopage du canal

L'étude suivante a pour but d'estimer l'influence du dopage du canal,

NCANAL, sur la caractéristique électrique I(V) statique du composant. Un

contrôle des grandeurs physiques telles que le champ électrique et la densité de

courant dans la structure, permettra de définir un domaine de valeurs possibles

pour le niveau de dopage choisi dans le canal.

Le dopage du canal varie entre 2×1016 cm-3 et 3,2×1017 cm-3.

L’ionisation des atomes dopants sera supposée complète dans un premier

temps, puis une évaluation dans le cas de donneurs azote (EC-ED=70 meV)

complète les simulations. Les coupes représentant le champ électrique et la

densité de courant dans la structure sont issues de simulations dans lesquelles

l'ionisation des dopants est complète.



70

0 100 200 300 400 500 6000

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

8 1016 cm-3

1,2 1017 cm-3

1,6 1017 cm-3

2 1017 cm-3

2,4 1017 cm-3

2,8 1017 cm-3

3,2 1017 cm-3

J DS [

A/cm

2 ]

VDS [V]

figure 3-5 : Réseau de caractéristiques JDS

(densité de courant coté drain) en fonction deVDS pour différentes valeurs du dopage ducanal, NCANAL.(ionisation complète des dopants)

figure 3-6 : (a) Densité de courant de saturation,JDSSAT, (b) résistance spécifique, RON-SPE, (c)tension de saturation, VDSSAT, en fonction dudopage de canal, NCANAL, avec et sans prise encompte du niveau donneur de l'azote (70 meV).

Zone active Epitaxie NNEPI=5¥1015 cm-3

WEPI=6 µm

Wafer N+

LCANAL=4 µm

XJCANAL=0,3 µm

XJP+=1 µm

P+=1018 cm-3

LP+=10 µm

LINTER=5 µm

eOX=0,1 µm

NWAFER=1019 cm-3

WWAFER=2 µm

5,0x1016 1,0x1017 1,5x1017 2,0x1017 2,5x1017 3,0x10170

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

EC-ED=0 eV EC-ED=70 meV

J DSSA

T [A

/cm

²]

Dopage du canal (NCANAL) [cm-3]

(a)

5,0x1016 1,0x1017 1,5x1017 2,0x1017 2,5x1017 3,0x10170

10

20

30

40

50


R ON-

SPE [

mΩ ΩΩΩ

.cm

2 ]


(b)

5,0x1016 1,0x1017 1,5x1017 2,0x1017 2,5x1017 3,0x10170

5

10

15

20


V DSSA

T [V]


(c)

La figure 3-5 montre une large gamme de caractéristiques présentant

différentes valeurs du courant de saturation. Le dopage du canal, NCANAL, varie

régulièrement de 2¥1016 cm-3 à 3,2¥1017 cm-3. Le niveau de dopage règle

l’intensité du courant de saturation et, d’une façon générale, la caractéristique

électrique statique du composant. Ainsi pour la gamme de dopage étudiée, le



71

composant passe progressivement d'un état ouvert pour 2¥1016 cm-3 à un état

conducteur pour 3,2¥1017 cm-3 avec des densités de courant importantes (3500

A.cm-2, et 2500 A.cm-2 avec EC-ED=70 meV).

La figure 3-6 (a) montre les variations de la densité de courant de

saturation en fonction du dopage du canal. La courbe obtenue semble présenter

un seuil à environ 5×1016 cm-3 de niveau de dopage du canal. Au-dessous de

5×1016 cm-3, le composant est normalement ouvert; la dose correspondante est

1,5¥1012 cm-2 (XJCANAL×NCANAL). Le potentiel de jonction NCANAL/P+ (Vbi)

suffit à déserter le canal et interdit d'emblée le passage du courant. La variation

importante de la densité de courant de saturation, JDSSAT, en fonction du dopage

du canal (1,5¥1017 cm-3 Æ 600 A.cm-2; 3,2¥1017 cm-3 Æ 3500 A.cm-2) indique

la criticité du contrôle du dopage. La prise en compte d'un niveau donneur de

l'azote de 70 meV influe directement sur le niveau du courant de saturation par

diminution du nombre d'électrons, n, transportant le courant (passage de 3500

A.cm-2 à 2500 A.cm-2). Cet effet est moindre sur la résistance spécifique et la

tension de saturation (figure 3-6 (b), (c)).

Sur la figure 3-6 (b) est reportée la variation de la résistance spécifique

du composant en fonction du dopage du canal. Le comportement semble

hyperbolique avec une très forte augmentation de la résistance série entre

5¥1016 cm-3 et 1017 cm-3. En dehors de cette gamme, la résistance série

spécifique décroît de 15 mΩ.cm² à 6 mΩ.cm² avec l’augmentation du dopage

du canal.

La tension de saturation extraite, VDSSAT (figure 3-6 (c)), est calculée à

partir des deux grandeurs précédentes (VDSSAT=JDSSAT×RON). C'est uniquement

une commodité que d'utiliser la relation VDSSAT=JDSSAT×RON, le pincement dû

canal étant du à la tension et non pas au courant.

Une zone intéressante se situe entre 1017 cm-3 et 3×1017 cm-3 où le

courant de saturation varie entre 250 A.cm-2 et 3000 A.cm-2, la résistance série

spécifique entre 13 mΩ.cm² et 6 mΩ.cm² et la tension de saturation entre 4 V et

17 V. Le niveau de courant de saturation, IDSSAT, et le RON du limiteur de



72

courant permettent de définir entièrement sa caractéristique directe. L'objectif

est de minimiser la résistance série et d'augmenter le niveau de courant de

saturation. La figure 3-7 propose une illustration de la progression de la

répartition du potentiel dans la structure suivant la caractéristique J(V)

correspondant à NCANAL=2¥1017 cm-3, la densité de courant est ajoutée sans

indication de sa valeur sur les mini-cartographies.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500

200

400

600

800

1000

1200

1400

111098765

4

3

2

1

J DS

[A/c

m2 ]

VDS [V]

figure 3-7 : JDS(VDS) pour NCANAL=2¥1017

cm-3 entre 0 V et 50 V. Représentationinterne des équipotentielles en fonctionde VDS à divers états de polarisation(2,5 V à 50 V, soit de l'image 1 à 11).

3 4 5 6

2 7

1 8

11 10 9



73

Le potentiel dans la structure se distribue inégalement (figure 3-7) : à

la saturation, le potentiel en fin de canal devient constant et la tension

augmente régulièrement dans le reste de la structure. On devine alors que les

zones critiques seront l'extrémité de la région P+ et l'oxyde de grille pour le

champ électrique, et la fin du canal pour la densité de courant.

Un examen du champ électrique dans le composant permettra un

première estimation des valeurs possibles du dopage du canal.

2.2.1 Champ électrique

Des coupes à l’intérieur du dispositif permettent de mieux appréhender

le fonctionnement du composant. La figure 3-8 montre les distributions du

champ électrique à travers une coupe 'verticale' réalisée au milieu du canal

(coupe 1 de la figure 3-4). Les deux valeurs extrêmes de la gamme de dopage

étudiée sont pointées à proximité de leur profil de champ électrique respectif.

L'état de polarisation choisi pour ces coupes est VDS=600 V. Coté NCANAL/P+, la

zone de charge d'espace s'étalant dans le canal est directement contrôlée par la

distribution du champ électrique : pour 2¥1016 cm-3, la zone de charge s'étale

dans tout le canal et ce même à VDS=0 V, le cas relatif à 3,2¥1017 cm-3 autorise

le passage du courant dans le canal, dans la zone non désertée. La coupe figure

3-8 montre le module du champ électrique en fonction de la profondeur, il faut

ainsi discerner la composante verticale (suivant x) et la composante horizontale

(suivant y), la première est responsable de la désertion, la seconde est le champ

de conduction (dans le canal). La courbure des équipotentielles dans la

structure (figure 3-7) introduit une légère désertion sous l'oxyde diminuant

ainsi la zone disponible pour le passage du courant. Cette désertion parasite est

d'autant plus forte que la 'rentrée' des équipotentielles dans le canal est

importante, c'est à dire que le dopage du canal est important.



74

-0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,50,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7 3,2 1017 cm-3

2 1016 cm-3

P+NCANAL

SiC- 4HSiO2

Cham

p él

ectri

que

[MV/

cm]

Profondeur [µm]

1015

1016

1017

1018

Conc

entra

tion

[cm

-3]

figure 3-8 : Coupe verticale au milieu du canal (coupe 1), champ électrique et profil dedopage suivant le dopage du canal (NCANAL varie de 2¥1016 à 3,2¥1017 cm-3) à VDS=600 V.

La figure 3-9 et la figure 3-10 regroupent les profils de champ

électrique et de dopage obtenus selon une coupe verticale en fin de canal

(coupe 2) à VDS=600 V. La figure 3-9 permet d'estimer de 'pic' de champ

électrique en fin de caisson P+, il est d'environ 2,5 MV.cm-1 à VDS=600 V. La

valeur même du champ n'est pas à redouter en tant que telle, la vérification d'un

amorçage ou non d'un mécanisme de génération de porteurs par avalanche sera

évaluée ultérieurement par l'examen de l'intégrale d'ionisation. Un

grossissement présenté figure 3-10 sur les 0,5 premiers µm de la figure 3-9

apporte une meilleure compréhension du mécanisme du pincement du canal. La

désertion (VDS=600 V) ne parvient pas à stopper le courant établi mais interdit

seulement son augmentation. Le courant traverse la ZCE grâce au champ de

conduction qui, dans le cas 3,2¥1017 cm-3, est de 0,5 MV.cm-1 en fin de canal.

Le pincement s'effectue également par l'intermédiaire de la fin de la ZCE

intercellulaire (figure 3-14).



75

0 1 2 3 4 5 60,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

Cham

p él

ectri

que

[MV/

cm]

Profondeur [µm]

1015

1016

1017

1018

1019

2 10

16 c

m-3

3,2

1017

cm

-3

N++

2 1016 cm-3

3,2 1017 cm-3

NEPI

P+

Conc

entra

tion

[cm

-3]

figure 3-9 : Coupe verticale en fin de canal (coupe 2), champ électrique et profil dedopage suivant le dopage du canal (NCANAL varie de 2¥1016 à 3,2¥1017 cm-3) à VDS=600 V.

-0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,50,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2 1016 cm-3

3,2 1017 cm-3

Cham

p él

ectri

que

[MV/

cm]

Profondeur [µm]

1015

1016

1017

1018

P+NCANAL

SiC- 4HSiO2Co

ncen

tratio

n [c

m-3

]

figure 3-10 : Coupe verticale en fin de canal (coupe 2, zoom sur 0,5 µm champ électriqueet profil de dopage suivant le dopage du canal (NCANAL varie de 2¥1016 à 3,2¥1017 cm-3) àVDS=600 V.

Une coupe latérale (coupe 4) dans le canal reportée sur la figure 3-11

montre les différences de répartition du champ électrique suivant que le canal

est normalement passant ou bloqué. Dans le cas normalement bloqué, le canal



76

est complètement déserté, le courant ne peut passer. On devine sur la figure

3-11 la brusque augmentation du champ électrique en fin de canal, déjà

perceptible sur la figure 3-7.

10 11 12 13 140,0

0,1

0,2

0,3

0,4

NCANAL

2 1016 cm-3

3,2 1017 cm-3

Cham

p él

ectri

que

[MV/

cm]

Distance [µm]

1016

1017

1018

Conc

entra

tion

[cm

-3]

figure 3-11 : Coupe latérale dans le canal (coupe 4, à 0,1 µm), champ électrique et profilde dopage suivant le dopage du canal (NCANAL varie de 2¥1016 à 3,2¥1017 cm-3) à VDS=600V.

Les figure 3-12 et figure 3-13 proposent une observation du champ

électrique au niveau de l'interface SiO2/SiC-4H et dans la couche épitaxiée

suivant une coupe verticale au centre de l'intercellule (coupe 3). La figure 3-14

résume les champs électriques obtenus à VDS=600V dans l'oxyde et dans le SiC

extraits de la figure 3-12. Il apparaît rapidement une limitation du domaine du

possible pour le choix du niveau de dopage du canal. Des études ont montré

[Anth'99] que la contrainte exercée par un champ électrique excédant les 5 à 6

MV.cm-1 dans un oxyde de grille conduisait à une durée de vie de l'isolant de

10 ans à 25 °C, elle diminue rapidement si la température augmente [Lipk'00].

Rappelons seulement la vocation de notre dispositif : rôle de protection série,

donc pas susceptible de subir un fonctionnement de même contrainte qu'un

interrupteur de type MOSFET.



77

Un compromis entre les performances électriques du composant

décrites par son RON et son courant de saturation IDSSAT et le "bien-être" de

l'oxyde conduit à un niveau de dopage, NCANAL, compris entre 1,5¥1017 cm-3 et

2,5¥1017 cm-3.

-0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,50

1

2

3

4

5

6

7

Cham

p él

ectri

que

[MV/

cm]

Profondeur [µm]

1015

1016

1017

1018

2 1016 cm-3

3,2 1017 cm-3

NCANAL

NEPI

SiC- 4HSiO2

Conc

entra

tion

[cm

-3]

figure 3-12 : Coupe verticale au centrede l’intercellule (coupe 3, zoom sousl'oxyde), champ électrique et profil dedopage suivant le dopage du canal(NCANAL varie de 2¥1016 à 3,2¥1017 cm-3)à VDS=600 V.

0 1 2 3 4 5 60,6

0,8

1,0

1,2

1,4

2 1016 cm-3

3,2 1017 cm-3

Cham

p él

ectri

que

[MV/

cm]

Profondeur [µm]

1015

1016

1017

1018

1019

Conc

entra

tion

[cm

-3]

figure 3-13 : Coupe verticale au centre del’intercellule (coupe 3), champ électriqueet profil de dopage suivant le dopage ducanal (NCANAL varie de 2¥1016 à 3,2¥1017

cm-3) à VDS=600 V.

5,0x1016 1,0x1017 1,5x1017 2,0x1017 2,5x1017 3,0x10170

1

2

3

4

5

6

7 Compromis RON / EOX

ESiC

EOX

Cha

mp

élec

triq

ue [

MV/

cm]

NCANAL [cm-3]

figure 3-14 : Champ électrique dans l'oxyde (SiO2) et le SiC-4H en fonction du dopage ducanal, au milieu de l'intercellule pour VDS=600 V.



78

Les profils de champ électrique relevés sur la figure 3-13 sont

différents dans un composant normalement bloqué (NCANAL=2¥1016 cm-3) et

normalement passant (NCANAL=3¥1017 cm-3). La présence ou non de courant

passant dans la couche faiblement dopée, NEPI, modifie la répartition du champ

électrique suivant la loi de Poisson ( )D

SiC

dE n Nqdx ε

+−= . Si aucune charge n'est

apportée par le canal, la ZCE s'étale suivant D

SiC

dE Nqdx ε

+−= ; plus le canal injecte

de porteurs, n, plus le champ électrique sera modulé dans la région de passage

du courant [Nall'98]. Dans le cas où NCANAL=3,2¥1017 cm-3, la densité de

courant est importante et on a quasiment 0dEdx

= en volume.

2.2.2 Densité de courant

La densité de courant fournie par le canal dépend de la mobilité des

électrons, de son dopage et de sa section conductrice. Elle atteint des valeurs

importantes de l’ordre de 106 A.cm-2 à l’extrémité du canal. Les coupes à

l’intérieur du canal permettent d’appréhender le passage du courant. La figure

3-15 et la figure 3-16 illustrent la densité de courant passant dans le canal à

VDS=600 V suivant les coupes 1 et 2. Le passage du courant est limité, coté

SiC, par la ZCE de la jonction P+/NCANAL légèrement polarisée en inverse et,

coté oxyde, par une ZCE due à la courbure des équipotentielles rentrant dans le

canal. Nous retrouvons sur ces courbes la striction du courant en fin de canal,

où pour NCANAL=3,2¥1017 cm-3 la section de passage maximale est de 0,1 µm

(XJCANAL=0,3µm), elle est d'environ 0,2 µm au milieu du canal (figure 3-15).



79

-0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,50

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

2,6 1017 cm-3

3,2 1017 cm-3

P+

NCANAL

SiC- 4HSiO2

Dens

ité d

e co

uran

t d'é

lect

ron

[A/c

m2 ]

Profondeur [µm]

1015

1016

1017

1018

1019

Conc

entra

tion

[cm

-3]

figure 3-15 : Coupe verticale au milieu du canal (coupe 1, zoom sur 0,5 µm), densité decourant d'électrons et profil de dopage suivant le dopage du canal (NCANAL varie de2¥1016 à 3,2¥1017 cm-3) à VDS=600 V.

-0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,50,0

2,0x105

4,0x105

6,0x105

8,0x105

1,0x106

1,2x106

2,6 1017 cm-3

3,2 1017 cm-3

P+

NCANAL

SiC- 4HSiO2

Dens

ité d

e co

uran

t d'é

lect

ron

[A/c

m2 ]

Profondeur [µm]

1015

1016

1017

1018

1019

Conc

entra

tion

[cm

-3]

figure 3-16 : Coupe verticale en fin de canal (coupe 2, zoom sur 0,5 µm), densité decourant d'électrons et profil de dopage suivant le dopage du canal (NCANAL varie de2¥1016 à 3,2¥1017 cm-3) à VDS=600 V.



80

2.2.3 Résistances partielles

Une décomposition de la résistance spécifique totale en trois

résistances partielles classiquement appelées RC, RA et RD est proposée sur la

figure 3-17 à VDS=5V. RC est la résistance spécifique de canal, RA celle d'accès

et RD correspond à la résistance de la couche épitaxiée. L'estimation de ces

résistances est calculée pour une section de passage du courant de XJCANAL=0,3

µm, LINTER=5 µm et LTOTALE=19 µm pour respectivement RC, RA et RD. La

résistance totale est dominée essentiellement par RC et RD dans la partie

ohmique, à NCANAL=2¥1017 cm-3 on obtient RC≈RD≈3 mΩ.cm2. A VDS=5 V, le

canal entre en saturation pour NCANAL<1,5¥1017 cm-3, la résistance totale est

alors majoritairement due à RC (figure 3-17).

L'examen des résistances partielles (extraites des simulations) indique

qu'un choix de 2¥1017 à 2,5¥1017 cm-3 comme dopage du canal permet

d'obtenir une zone active peu résistive et une résistance totale dominée par celle

de la couche faiblement dopée NEPI.

1,0x1017 1,5x1017 2,0x1017 2,5x1017 3,0x10170

5

10

15

20

25

30

RO

N-S

PE (

à V D

S=5V

) [

mΩ ΩΩΩ

.cm

2 ]

NCANAL [cm-3]

RC RA RD RTOTALE

figure 3-17 : Décomposition de la résistance spécifique totale à VDS=5V en fonction dudopage du canal, NCANAL. Attention à 5V, on entre dans la saturation pour NCANAL<1,3-1,5¥1017 cm-3, la résistance totale diffère alors de celle montrée sur la figure 3-6 (b).



81

2.3 Influence de la longueur du canal

0 100 200 300 400 500 6000

500

1000

1500

2000

2500

10 µm

5 µm

4 µm

3 µm

2 µm

J DS

[A/c

m2 ]

VDS [V]

figure 3-18 : Réseau de caractéristiques JDS enfonction de VDS pour différentes valeurs delongueur de canal, LCANAL.

figure 3-19 : (a) Densité de courant de saturation,JDSSAT, (b) résistance spécifique, RON-SPE, (c)tension de saturation, VDSSAT, en fonction de lalongueur du canal, LCANAL.


WEPI=6 µm

Wafer N+

NCANAL=2¥1017 cm-3

XJCANAL=0,3 µm

XJP+=1 µm

P+=1018 cm-3

LP+=10 µm

LINTER=5 µm

eOX=0,1 µm

NWAFER=1019 cm-3

WWAFER=2 µm

2 3 4 5 6 7 8 9 100

500

1000

1500

2000

2500

J DSS

AT

[A

/cm

2 ]

Longueur de canal (LCANAL) [µm]

(a)

2 3 4 5 6 7 8 9 10

6

8

10

12

14

16

RO

NSPE

[m

Ω ΩΩΩ.c

m2 ]


(b)

2 3 4 5 6 7 8 9 100

2

4

6

8

10

12

14

V DSS

AT [

V]


(c)

Une autre campagne de simulation propose l’étude du comportement

électrique de la structure limiteur ‘planar’ en fonction de sa longueur de canal.

La figure 3-19 résume les résultats obtenus à travers différentes caractéristiques

JDS=f(VDS), paramétrées en longueur de canal. Les canons tels que la densité de



82

courant de saturation, la résistance série spécifique et la tension de saturation

sont repris comme critères de choix. La variation de la longueur de canal est ici

très large (de 2 à 10 µm) et sans doute exhaustive pour notre structure. Le choix

des autres paramètres de la structure est exposé figure 3-18.

Les résultats relatifs au courant de saturation permettent d’estimer une

variation de type hyperbolique avec la longueur de canal (figure 3-19 (a)). La

résistance spécifique varie quasiment linéairement avec la longueur de canal, le

facteur correspondant est d’environ 1,2 mΩ.cm²/µm (pour LCANAL>2 µm). Une

longueur comprise entre 2 µm et 6 µm permet de garder une résistance

spécifique inférieure à 10 mΩ.cm² et de maintenir un bon niveau de densité de

courant de saturation compris entre 1000 A.cm-2 et 2000 A.cm-2. La tendance

est donc de minimiser le plus possible la longueur du canal, la seule limite étant

la tension de saturation qui tend, elle, à augmenter.


0,0 0,5 1,0 1,5 2,00,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0LCANAL=10µm

LCANAL=2µm

Cha

mp

élec

triq

ue [

MV/

cm]

Profondeur [µm]

1015

1016

1017

1018

1019

1020

Con

cent

ratio

n [c

m-3

]

figure 3-20 : Champ électrique (MV/cm) en fonction de la profondeur (µm) en fin de canal

(coupe 2), (XJCANAL=0,3 µm NCANAL=2××××1017 cm-3 / eOX=0,1 µm / LINTER=5 µm) à VDS=600 V.



83

La longueur du canal n'influe pratiquement pas sur la répartition du

champ électrique dans la structure. La figure 3-20 résume ce constat en

synthétisant les profils de champ électrique tracés en fonction de la profondeur,

en fin de canal pour VDS=600 V. Le pic de champ électrique reste entre 2,5 et

2,7 MV.cm-1 en fin de caisson P+. La même observation peut être faite pour ce

qui est du maximum du champ électrique à l'intercellule, et conduit à des

valeurs proches de celles obtenues sur la figure 3-14 pour NCANAL=2¥1017 cm-3,

c'est-à-dire, ~2 MV.cm-1 dans le SiC et ~5,5 MV.cm-1 dans l'oxyde à VDS=600

V.

2.3.2 Densité de courant

La figure 3-21 synthétise les profils de densité de courant dans le canal

suivant la coupe 4. On observe une décroissance linéaire du maximum de

densité de courant en fin de canal, à ne pas lier directement à la densité de

courant totale, la section de passage en fin de canal diffère suivant la longueur

de celui-ci.

10 12 14 16 18 200

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

LCANAL=10 µm

LCANAL=2 µm

Den

sité

de

cour

ant J

e [A

/cm

2 ]

Distance [µm]

figure 3-21 : Densité de courant le long du canal (coupe 4) à une profondeur de 0,1 µm

(XJCANAL=0,3 µm NCANAL=2××××1017 cm-3 / eOX=0,1 µm / LINTER=5 µm) à VDS=600 V.



84

2.4 Influence de la profondeur de canal

0 100 200 300 400 500 6000

500

1000

1500

2000

2500

3000

0,15 µm

0,2 µm

0,25 µm

0,3 µm

0,35 µm

0,4 µm

J DS

[A/c

m2 ]

Tension VDS [V]

figure 3-22 : Réseau de caractéristiques JDS enfonction de VDS pour différentes valeurs deprofondeur de canal, XJCANAL.

figure 3-23 : (a) Densité de courant de saturation,JDSSAT, (b) résistance spécifique, RON-SPE, (c)tension de saturation, VDSSAT, en fonction de laprofondeur de canal, XJCANAL.

Zone active Epitaxie N

NEPI=5¥1015 cm-3

WEPI=6 µm

Wafer N+

NCANAL=2¥1017 cm-3

LCANAL=4 µm

XJP+=1 µm

P+=1018 cm-3

LP+=10 µm

LINTER=5 µm

eOX=0,1 µm

NWAFER=1019 cm-3

WWAFER=2 µm

0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,400

500

1000

1500

2000

2500

3000

J DSSA

T [

A/cm

2 ]

XJCANAL [µm]

(a)

0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,400

10

20

30

40

50

RO

N-SP

E [

mΩ ΩΩΩ

.cm

2 ]

XJCANAL [µm]

(b)

0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,400

5

10

15

20

V DSS

AT

[V]

XJCANAL [µm]

(c)

Comme précédemment, nous étudions ici un autre paramètre essentiel

du limiteur ‘planar’ : la profondeur du canal. La gamme explorée ici se situe

entre 0,1 µm et 0,4 µm. Comme il est proposé sur la figure 3-21 où des courbes

simulées de densités de courant en fonction de la tension VDS paramétrées en



85

profondeur de canal sont tracées, la dispersion des résultats est très sensible au

dixième et même au centième de µm. Le passage, par exemple, de 0,25µm à 0,3

µm s’accompagne aussitôt d’une augmentation de 1000 A.cm-2 à 1500 A.cm-2

de la densité de courant de saturation !

Les tendances montrées sur la figure 3-23 concernant la densité de

courant de saturation, la résistance spécifique et la tension de saturation sont à

rapprocher de celles obtenues par variation du dopage de canal. Les

conséquences sur le niveau de densité de courant de saturation sont illustrées

figure 3-23 (a) où l’on retrouve un seuil de conduction pour une profondeur de

0,1µm. Il est alors plus adapté de parler en dose minimale (0,1¥2¥1017=2¥1012

cm-2, pour le paragraphe relatif au dopage du canal, on avait

0,3¥5¥1016=1,5¥1012 cm-2). Cependant, on ne retrouve pas la même tendance

que pour la variation du dopage de canal, l’augmentation de densité de courant

de saturation est plus rapide vis-à-vis de la dose présente dans le canal. Dans le

cas où le dopage variait, la mobilité des électrons ainsi que leur concentration

variaient aussi, lorsque la profondeur du canal varie n et µncanal ne changent pas.

La gamme envisageable serait une profondeur de canal comprise entre

0,2 et 0,3 µm permettant ainsi une densité de courant de 300 A.cm-2 à 1500

A.cm-2, une résistance spécifique de 12 mΩ.cm² à 7 mΩ.cm² et une tension de

saturation de 4 V à 11 V.

La stratégie à adopter vis-à-vis de la profondeur de canal est totalement

fonction de la technologie envisagée mais celle-ci doit être capable de garantir

une précision raisonnable (<0,05µm) sur la couche NCANAL.


Le champ électrique sous l'oxyde, au milieu de l'intercellule, est

directement fonction de la profondeur du canal. Comme on peut le constater sur

la figure 3-24, l'augmentation moyenne du champ électrique sous l'oxyde est

d'environ 0,4 MV.cm-1 pour 0,1 µm de canal.



86

Le dopage du canal est, comme vu précédemment (§2.2), acteur dans la

répartition du champ électrique. L'effet de zone de charge d'espace mobile

[Nall'98] est observable sur la figure 3-24.

0 1 2 3 4 5 60,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

XJCANAL=0,1 µm

XJCANAL=0,4 µm

Cha

mp

élec

triq

ue [

MV/

cm]

Profondeur [µm]

figure 3-24 : Champ électrique (MV/cm) en fonction de la profondeur suivant la coupe 3

(LCANAL=4 µm / NCANAL=2××××1017 cm-3 / eOX=0,1 µm / LINTER=5 µm) à VDS=600 V.

Le champ électrique dans l'oxyde est exprimé en fonction de la

profondeur de canal sur la figure 3-25 (extrait de la figure 3-24). Il apparaît

raisonnable de rester en dessous d'une profondeur de canal de 0,2-0,25 µm et

ainsi d'obtenir un champ électrique dans l'oxyde d'environ 5-5,5 MV.cm-1.

0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,451

2

3

4

5

6

7

ESiC

ESiO2

Cha

mp

élec

triq

ue [

MV/

cm]

XJCANAL [µm]

figure 3-25 : Champ électrique maximal (MV/cm), au centre de l'intercellule, en fonction

de XJCANAL (µm) (LCANAL=4 µm / NCANAL=2××××1017 cm-3 / eOX=0,1 µm / LINTER=5 µm) à VDS=600V.



87

2.5 Synthèse des résultats en statique (liés aux paramètres du canal)Pour résumer l'influence des paramètres liés au canal, des abaques sont

proposées sur la figure 3-26 pour le courant et sur la figure 3-27 pour la

résistance spécifique. La prise en compte d'un niveau donneur à EC-EV=70 meV

dans les simulations de la figure 3-26 et de la figure 3-27 permet une meilleure

estimation des densités de courant possibles.

La spécification de l’intensité du courant de saturation en A.cm-1 est

utilisée d'un point de vue conception pour calibrer le 'métrage' du composant

vis-à-vis d'un ampérage fixé. La densité de courant renseigne sur la

performance du composant et est généralement plus parlante car utilisée comme

unité dans tous les types de composants, rappelons qu'elle est calculée coté

drain et dépend ainsi de la surface de drain considérée.

Il est possible d'obtenir le même calibre en courant pour des jeux de

paramètres différents, tous ne conduisent pas à la même résistance série et aux

mêmes contraintes électrostatiques dans l'oxyde.

Avec un critère de champ électrique dans l'oxyde de 5 MV.cm-1 à

VDS=600 V, un choix de paramètres conduisant à la résistance spécifique

minimale est XJCANAL=0,25 µm / NCANAL=2¥1017 cm-3 / LCANAL=4 µm. La

densité de courant correspondante est de 500 A.cm-2.



88

1,0x1017 1,5x1017 2,0x1017 2,5x1017 3,0x1017 3,5x10170

1

2

3

4

0,15

0,2

0,25

0,3

0,15

0,2

0,25

0,3

0,15 µm

0,2 µm

0,25 µ

mX JCANAL

=0,3

µm

Cou

rant

I D

SSA

T [A

/cm

]

NCANAL [cm-3]

LCANAL=4 µm LCANAL=6 µm LCANAL=8 µm

1,0x1017 1,5x1017 2,0x1017 2,5x1017 3,0x1017 3,5x10170

500

1000

1500

2000

0,150,2

0,25

0,3

0,15

0,2

0,3

0,25

0,15 µm

0,2 µm

0,25 µ

mX JC

ANAL=0

,3 µm

J DSS

AT [

A/c

m2 ]

NCANAL [cm-3]

LCANAL=4 µm LCANAL=6 µm LCANAL=8 µm

figure 3-26 : Densité de courant de saturation [A.cm-2] et courant de saturation [A.cm-1]en fonction de NCANAL, paramétrage suivant LCANAL et XJCANAL (EC-ED=70 meV).

1,0x1017 1,5x1017 2,0x1017 2,5x1017 3,0x1017 3,5x10170

10

20

30

40

50

0,3 µm

0,25 µm

0,2 µm

XJC

ANAL =0,15 µm

RO

N-SP

E [m

Ω ΩΩΩ.c

m2 ]

NCANAL [cm-3]

LCANAL=8µm LCANAL=6µm LCANAL=4µm

figure 3-27 : Résistance spécifique en fonction de NCANAL, paramétrage suivant LCANAL etXJCANAL (EC-ED=70 meV).

2.6 Influence de l'intercelluleUn paramètre de conception lié aux règles de dessin est la largeur de

l'espacement entre cellules quantifié par LINTER et égale à 2¥LINTER. La figure

3-28 montre l'influence de LINTER sur la caractéristique électrique directe du

composant.



89

0 5 10 15 20 25 300

50

100

150

200

2501 µm

5 µm

J DS

[A

/cm

2 ]

VDS [V]

figure 3-28 : Réseau de caractéristiques JDS enfonction de VDS pour différentes valeurs de LINTER

figure 3-29 : (a) Densité de courant de saturation,JDSSAT, (b) résistance spécifique, RON-SPE, (c)tension de saturation, VDSSAT, en fonction deLINTER.


WEPI=6 µm

Wafer N+

NCANAL=2¥1017cm-3

LCANAL=4 µm

XJCANAL=0,2 µm

XJP+=1 µm

P+=1018 cm-3

LP+=10 µm

eOX=0,1 µm

NWAFER=1019 cm-3

WWAFER=2 µm

1 2 3 4 5200

210

220

230

240

250

260

270

J DSS

AT

[A/c

m2 ]

LINTER [µm]

(a)

1 2 3 4 50

5

10

15

20

25

RO

N-SP

ECIF

IQUE

[m

Ω ΩΩΩ.c

m2 ]

LINTER [µm]

(b)

1 2 3 4 50

1

2

3

4

5

6

7

V DSS

AT

[V]

LINTER [µm]

(c)

Pour des valeurs de LINTER comprises entre 2 et 5 µm (5 à 10 µm entre

chaque cellule), la densité de courant augmente proportionnellement à la

diminution de la surface considérée mais le courant total (en A.cm-1) est

constant. Il en va de même pour la résistance spécifique. La figure 3-30

représente le courant IDS en fonction de VDS, on remarque un comportement très

proche des composants dont LINTER varie entre 2 et 5 µm.



90

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500,0

0,1

0,2

0,3

0,4

LINTER=2 - 5 µm

LINTER=1,5 µm

LINTER=1 µm

Cou

rant

I D

S [A

/cm

]

VDS [V]

figure 3-30 : Courant IDS en fonction deVDS pour différentes valeurs de LINTER.

10 11 12 13 14 15 16 17 18 190

1

2

3

4

2 µm

1,5 µm

1 µm

LINTER=5 µmcanal

Pote

ntie

l [V

]

Distance [µm]

figure 3-31 : Potentiel en fonction de ladistance suivant une coupe 4 à VDS=5V.

Lorsque LINTER est inférieur à 2 µm, l'incidence sur la résistance série

est manifeste. Elle augmente rapidement essentiellement grâce à l'augmentation

de la résistance d'accès, RA qui devient importante. La figure 3-31 illustre la

situation vue du canal à VDS=5 V et montre que, pour LINTER=1 µm, le potentiel

en fin de canal est de 1 V et celui ci n'est pas saturé alors que pour LINTER>2

µm, la saturation est déjà visible par la brusque élévation du potentiel en fin de

canal. La figure 3-32 propose une vue du potentiel à travers la structure à

VDS=5 V (coupe 3) et montre "l'écrantage" progressif du potentiel par le

resserrement des cellules, la limite atteinte pour LINTER=1 µm montre

l'activation d'un second pincement du courant par un effet JFET parasite. Ce

phénomène a une répercussion intéressante sur le profil du champ électrique

dans la structure à VDS=600 V (figure 3-33) ; l'écrantage permet alors de

diminuer le champ dans l'oxyde comme exposé sur la figure 3-34.



91

0 1 2 3 4 5 60

1

2

3

4

5

LINTER=5 µm

LINTER=1 µm

Pote

ntie

l [V

]

Profondeur [µm]

figure 3-32 : Potentiel dans la structureà VDS=5 V suivant une coupe 3, centrede l'intercellule.

0 1 2 3 4 5 60,0

0,5

1,0

1,5

2,0

5 µm

1 µm

5 µm1 µm

Cham

p él

ectr

ique

[M

V/cm

]

Profondeur [µm]

1015

1016

1017

1018

1019

Conc

entr

atio

n [c

m-3

]

figure 3-33 : Champ électrique dans lastructure à VDS=600 V suivant une coupe 3,centre de l'intercellule.

1 2 3 4 50

1

2

3

4

5

ESiC

EOX

Cha

mp

élec

triq

ue [

MV/

cm]

LINTER [µm]

figure 3-34 : Champ électrique dans l'oxyde et dans le SiC, à l'interface SiO2/SiC aucentre de l'intercellule.

Un bon compromis entre l'effet d'écran de potentiel et une résistance

série acceptable peut être obtenu en choisissant un espacement des cellules de 5

à 7 µm (LINTER=2,5 à 3,5 µm). Les profils de dopage utilisés sont très abrupts

avec de faibles extensions latérales (0,01¥XJ), ils constituent le pire cas en

terme de pic de champ électrique (en fin de région P+). L'extension latérale

réelle (~0,02¥XJ dépendant des conditions de réalisation, dans le cas d'une

implantation notamment) est difficile à estimer et peut accentuer le phénomène



92

de JFET parasite, des valeurs proches de 4 µm séparant deux cellules actives

sont alors technologiquement risquées.

Le rapprochement des cellules diminue le 'pic' de champ électrique en

fin de région P+ et ainsi la densité de courant de trous (courant de fuite de la

jonction P+/NEPI) dans la base du transistor bipolaire parasite (N++/P+/NEPI).

Ceci est vrai (figure 3-35) tant que l'effet JFET est faible (LINTER>2 µm), la

densité de courant de trous dans la base est d'environ 0,3 A.cm-2. Pour

LINTER<2µm, le courant de trous dans la base augmente jusqu'à 1 A.cm-2, la

couche P+ doit être dimensionnée pour tenir la tension et offrir la résistance la

plus faible possible pour éviter de polariser localement la jonction N++/P+ en

direct (~2 V ) : elle doit donc être la plus dopée et la plus profonde possible (les

choix technologiques sont les principaux critères de dimensionnement de la

couche P+).

8 10 12 14 16 180,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

J p [

A/c

m2 ]

Distance [µm]

NEPI

P+

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1 µm

1,5 µm

1 µm

1,5 µm

2 µm

3 µm

2 µm 3 µm

LINTER=5 µm

LINTER=5 µm

Cha

mp

élec

triq

ue [

MV/

cm]

figure 3-35 : Champ électrique et densité de courant à VDS=600 V suivant une coupe 5.



93

2.7 Influence de l'épaisseur d'oxydeL'influence de l'épaisseur d'oxyde sur les caractéristiques JDS(VDS) est

résumée sur la figure 3-36. Son incidence sur la densité de courant de

saturation, la résistance série spécifique et la tension de saturation est évaluée

sur la figure 3-37.

La diminution de l'épaisseur d'oxyde entraîne une diminution globale

des performances du composant (figure 3-37). Ce phénomène est lié à la

tension de bande plate utilisée en simulation induisant une ZCE dans le canal.

La tension de bande plate s'exprime analytiquement par :

ln2

G CANALFB M SiC

i

E NkTVq q n

φ χ

= − − +

avec : φM, travail de sortie du métal en V

χSiC, affinité électronique du SiC-4H (4,1 V)

La valeur prise par le simulateur, sans autre précision de l'utilisateur,

est :

2G

M SiCE

qφ χ= + ≈5,5 V

La tension de bande plate est alors : ln CANALFB

i

NkTVq n

=

La zone de désertion à VDS=0 V ainsi induite par VFB dans le SiC est :

2

FB

SiOV FB

CANAL OX

W VqN e

ε=

soit une désertion d'environ 16 nm pour une épaisseur d'oxyde de 100

nm (NCANAL=2¥1017 cm-3). Le choix du nickel comme contact (φM=4,4 V)

conduirait à VFB=-0,3 V soit une désertion de 3 nm à VDS=0 V.



94

0 100 200 300 400 500 6000

50

100

150

200

250

300

40 nm

60 nm

80 nm

100 nm

120 nm

20 nm

J DS [

A/c

m2 ]

VDS [V]

figure 3-36 : Caractéristiques JDS(VDS) suivantl'épaisseur de SiO2, eOX.

figure 3-37 : (a) la densité de courant desaturation, JDSSAT, (b) la résistance spécifique,RONSPE, (c) la tension de saturation, VDSSAT,suivant l'épaisseur de SiO2, eOX.


WEPI=6 µm

Wafer N+

NCANAL=2¥1017cm-3

LCANAL=4 µm

XJCANAL=0,2 µm

XJP+=1 µm

P+=1018 cm-3

LP+=10 µm

LINTER=5 µm

eOX=0,1 µm

NWAFER=1019 cm-3

WWAFER=2 µm

20 40 60 80 100 1200

50

100

150

200

250

300

J DSS

AT

[A/c

m2 ]

Epaisseur d'oxyde, eOX (SiO2) [nm]

(a)

20 40 60 80 100 12010

15

20

25

RO

N-S

PE [

mΩ ΩΩΩ

.cm

2 ]


(b)

20 40 60 80 100 1200,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

V DSS

AT [

V]


(c)

2.8 Influence des charges à l'interface SiO2/SiCUn paramètre important dès que l'on évoque 'oxyde' et 'SiC' est la

qualité de l'interface entre l'isolant et le semi-conducteur. Nous évaluons ici

l'influence de la présence de charges fixes négatives situées à l'interface

SiO2/SiC-4H sur les caractéristiques électriques I(V) du composant. Nous

définirons une quantité de charge fixe négative à l'interface, QOX. Ces charges

reflètent l'effet simplifié du cumul des charges fixes dans l'oxyde, Qeff, et de la



95

densité de charges piègées à l'interface, Dit. L'effet de QOX sur la caractéristique

statique est illustré sur la figure 3-38 sur un limiteur dont les paramètres du

canal sont : LCANAL=4 µm, NCANAL=2,5×1017 cm-3, XJCANAL=0,2 µm, eOX=0,1

µm et comme caractéristique intercellulaire LINTER=5 µm. L'impact de QOX sur

la densité de courant de saturation, la résistance et la tension de saturation du

limiteur est visible sur les courbes de la figure 3-39.

0 100 200 300 400 500 6000

100

200

300

400

500

3 1012 cm-22,1 1012 cm-21,8 1012 cm-2

1,5 1012 cm-2

1,2 1012 cm-2

9 1011 cm-2

6 1011 cm-2

3 1011 cm-2

0 cm-2

J DS [

A/c

m2 ]

VDS [V]

figure 3-38 : Caractéristiques JDS(VDS) suivant ladensité de charges spécifiée, QOX<0

figure 3-39 : Effet des charges, QOX<0, dues àl'interface SiO2/SiC-4H sur : (a) la densité decourant de saturation, JDSSAT, (b) la résistancespécifique, RONSPE, (c) la tension de saturation,VDSSAT, en fonction la densité de chargesspécifiée, QOX<0.


WEPI=6 µm

Wafer N+

NCANAL=2,5¥1017cm-3

LCANAL=4 µm

XJCANAL=0,2 µm

XJP+=1 µm

P+=1018 cm-3

LP+=10 µm

LINTER=5 µm

eOX=0,1 µm

NWAFER=1019 cm-3

WWAFER=2 µm

0,0 5,0x1011 1,0x1012 1,5x1012 2,0x1012 2,5x1012 3,0x10120

100

200

300

400

500Dose du canal0,2 µm * 2,5 1017 cm-3 = 5 1012 cm-2

VDS=200V

VDS=400V

J DSS

AT [

A/c

m2 ]

QOX [cm-2]

(a)

0,0 5,0x1011 1,0x1012 1,5x1012 2,0x1012 2,5x1012 3,0x10120

100

200

300

400

500

RO

N-S

PEC

IFIQ

UE

[mΩ ΩΩΩ

.cm

2 ]

QOX [cm-2]

(b)

0,0 5,0x1011

1,0x1012

1,5x1012

2,0x1012

2,5x1012

3,0x1012

0

1

2

3

4

5

V DSS

AT

[V]

QOX [cm-2

]

(c)



96

L'augmentation de la densité de charges négatives à l'interface

SiO2/SiC diminue considérablement le niveau de courant passant dans le

composant voire même jusqu'à son blocage. Divers points de vue (JDSSAT, RON

et VDSSAT) convergent vers l'observation d'un blocage pour QOX>2,5¥1012 cm-2.

Dans le cas d'un canal devenu très peu conducteur par l'effet de QOX,

un champ électrique suffisant peut 'claquer' celui-ci et forcer une conduction

plus importante du canal. Cet effet est manifeste pour des valeurs de QOX de

2,1¥1012 cm-2 à 3¥1012 cm-2 à des tensions VDS de, respectivement, 200 V à

500 V (figure 3-38).

La densité de courant de saturation diminue rapidement avec

l'augmentation de la densité de charge, QOX. Cette diminution de la zone de

conduction dans le canal conduit à une augmentation de sa résistance et à une

diminution de la tension de saturation. Une mise en forme du phénomène

physique est proposée et permet d'estimer rapidement le dimensionnement du

canal vis-à-vis des charges d'interface, QOX.

En effet, les charges négatives introduites induisent une désertion (à

VDS=0 V) dans le canal telle que :

OXCANAL

CANAL

QWN

=

L'extension maximale de la zone de charge sous l'oxyde est :

4 ln CANALSiC

iCANAL

CANAL

NkTq n

WmqN

ε =

Le canal est également réduit de WVbi, zone de charge d'espace de la

jonction NCANAL/P+ (P+=1018 cm-3) à l'équilibre thermodynamique, exprimée

par :



97

22 ln

1bi

CANALSiC

iV

CANALCANAL

P NkTq n

WNqN

P

ε+

+

=

+

La zone de canal utile à la conduction est, à VDS=0 V :

biC JCANAL CANAL VW X W W= − −

Un petit abaque de la figure 3-40 regroupe une série de courbes

exprimant WCANAL en fonction de NCANAL paramétrée par QOX.

Un exemple d'utilisation est donné sur la figure 3-40 : dans le cas où

XJCANAL=0,2 µm et NCANAL=3¥1017 cm-3, on se place sur la verticale

correspondant à 3¥1017 cm-3, l'intersection avec la courbe marquée WVbi donne

la valeur de WVbi (0,085 µm) et l'intersection avec le réseau de courbes WCANAL

donne la valeur de la désertion en µm pour une valeur choisie de QOX (annotée

sur chaque courbe), soit, pour QOX=2¥1012 cm-2, on lit WCANAL=0,065 µm, on

en déduit alors WC=0,2-0,085-0,065=0,05 µm.

Connaissant la densité de charges à l'interface, QOX, ainsi que WVbi, un

choix du couple (XJCANAL,NCANAL) donne l'épaisseur effective de canal, WC. Un

second exemple est donné où WC est tracé en fonction de NCANAL pour un

XJCANAL donné (0,2 µm) et deux valeurs de QOX (0 et 2¥1012 cm-2).



98

0 1x1017 2x1017 3x1017 4x10170,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

3

WC

WCANAL

WVbi

XJCANAL

WCWm

CANAL

Wvbi

0,10,2

0,30,5

0,81,0

1,5 2,0

2,5

WC

AN

AL,

WV bi

, Wm

CA

NA

L [µm

]

NCANAL [cm-3]

w(vbi) wmax XJcanal=0,2 / Qox=0 cm-2 XJcanal=0,2 / Qox=2e12 cm-2

figure 3-40 : Zone de désertion dans le canal, WCANAL,WVbi et WmCANAL en fonction dudopage du canal, NCANAL. Les charges, QOX, à l'interface SiO2/SiC-4H (exprimée en 1012

cm-2), sont annotées sur les courbes relatives à WCANAL (P+=1018 cm-3).

On s'aperçoit ainsi que pour NCANAL=2,5¥1017 cm-3, une densité de

charge QOX de 2¥1012 cm-2 conduit à une réduction de WC de 75 %. La

réflexion sur un processus technologique conduisant à un bon état d'interface

entre oxyde et SiC-4H peut conduire à une meilleure optimisation du canal

(NCANAL plus faible). Dans le cas d'une incertitude sur l'interface oxyde/SiC-

4H, il sera nécessaire de sur-calibrer le composant pour obtenir un canal

normalement passant.


Le point positif à la présence de charges négatives à l'interface est la

diminution du champ électrique dans l'oxyde à VDS=600 V (figure 3-41). Le

champ dans l'oxyde s'exprime par :



99

2

2 2

SiC OXSiO SiC

SiO SiO

qQE Eεε ε

= −

0,0 5,0x1011 1,0x1012 1,5x1012 2,0x1012 2,5x1012 3,0x10121,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

ESiC

ESiO2

Cha

mp

élec

triqu

e [M

V/cm

]

QOX [cm-2]

figure 3-41 : Champ électrique dans le SiO2 et le SiC en fonction des charges négativesglobales à l'interface QOX, au centre de l'intercellule et à VDS=600 V.

2.9 Modélisation analytique du composant

figure 3-42 : Modélisation du fonctionnement du canal du composant.

Une modélisation analytique du fonctionnement du composant peut

permettre d’estimer le poids relatif des paramètres de conception. Cette

estimation ne peut remplacer la simulation par éléments finis beaucoup plus

précise et surtout prenant en compte l'aspect 2D voire 3D. La modélisation se



100

veut simple dans sa formulation et oblige ainsi à des hypothèses

simplificatrices :

1 profils de dopage abrupts

2 mobilité constante dans le canal et non affectée par le champ

électrique

3 pas de prise en compte de la résistance d'accès, RA.

4 ionisation complète des dopants, n=ND.

5 profils de densité de courant abrupts limités par les ZCE

Le modèle du canal [Sze'81] est illustré sur la figure 3-42, il s'appuie

sur le principe d'une conduction limitée par l'extension d'une ZCE provenant de

la commande de grille (VGS) et d'une autre ZCE issue de la jonction P+/NCANAL

en inverse (VDS).

Calcul:

La densité de courant JDS en un point y du canal est :

( ) ( )DS nJ y qnµ E y=

La section de passage est : ( ) ( )CS y Zx y=

Avec Z, largeur de canal et xC(y) épaisseur de canal conducteur

Le courant est alors :

( ) ( )DS n CdVI y qµ Znx ydy

=

La dose prélevée par la ZCE provenant de la jonction P+/NCANAL est :

( )( )2( )

1

SiC biCANALP

CANALCANAL

V y VQ y N

NqNP

ε+

+

+=

+

La dose prélevée par la ZCE de grille (en désertion) est :

( ) ( )( )2( )G

SiOV G FB

OX

Q y V y V Vqeε

= − −



101

La dose de désertion maximale est :

4 ln CANALSiC

iVG MAX CANAL

CANAL

NkTq n

Q qNqN

ε

−

=

avec :

ln2

G CANAL OXFB M SiC

i OX

E N qQkTVq q n C

φ χ

= − − + −

soit la dose de conduction nxC(y) restante du canal :

( )GC C CANAL VP

nx y Q Q Q Q+= = − −

On obtient, en supposant que dVdy

ne dépend pas de y :

( ) ( )0 0

CANAL DSL V

DS n CI y dy qµ Z Q V dV=∫ ∫

soit, avec CANALn N= :

( ) ( ) ( )23 32 2

22 2 23 21

SiO DSCANAL ncanal SiCDS DS JCANAL DS DS bi bi DS FB GS

CANALCANAL CANAL OXCANAL

VqN µ ZI V X V V V V V V VNL qN eqN

P

εε

+

= − + − − + − +

La saturation est définie comme le pincement du courant en fin de

canal à, VDS=VP telle que QC(VP)=0 en y=LCANAL, soit (à VGS=0 V) :

( ) ( )22

1

SiOSiC P biJCANAL CANAL CANAL P FB

CANAL OXCANAL

V VX N N V V

N qeqNP

εε

+

+= + +

+

L'expression de VP n'est pas triviale dans son écriture et n'apporte pas

d'information et l'expression du courant de saturation l'est encore moins. La

résistance série est par contre plus aisée à extraire par :

( )1 0DSON DS

DS

dIR VdV

− = =

On obtient :



102

22

1

CANALON

SiO FBSiC bi CANALncanal CANAL JCANAL

CANAL OX

LR

VV Nqµ Z N XN qeq

P

εε

+

= − −

+

Le modèle proposé conduit à une formulation complexe et une lisibilité

difficile de l'influence des paramètres du canal sur le comportement électrique

du composant. Une comparaison simulation ISE/Modèle analytique est

proposée sur la figure 3-43. La différence entre les deux réseaux de courbes

paramétrés en longueur de canal est importante tant au niveau des courant de

saturation que pour la résistance série. La prise en compte de la résistivité des

couches NEPI/NWAFER utilisées en simulation fine a été pourtant ajoutée au

modèle analytique. Ces résultats montrent qu'un modèle plus complexe pourrait

être développé, tenant compte de la résistance d'accès, on tend alors vers une

formulation très complexe se rapprochant finalement d'une simulation par

éléments finis.

0 10 20 30 40 500

1

2

3

4

10 µm

6 µm

5 µm

4 µm

3 µm

LCANAL=2 µm

Simulation ISE Modèle analytique

Cou

rant

ID

S [A

/cm

]

VDS [V]

figure 3-43 : Comparaison Simulation ISE et modèle analytique avec prise en compte dela résistance de l'épitaxie NEPI. Les résultats de simulation sont ceux concernant leparagraphe relatif à la longueur de canal. Les paramètres introduits dans le modèleanalytique sont les mêmes que ceux utilisés pour les simulations.



103

2.10 Possibilité de commande par grilleDans le modèle analytique précédent apparaît une commande de grille.

Le composant peut être commandé et ainsi se comporter comme un

interrupteur. La figure 3-44 montre, dans divers cas de dimensionnement du

canal (XJCANAL et NCANAL), le comportement du composant vis-à-vis de la

tension de grille VGS à VDS=50 V. Il apparaît que pour des tensions de grille

comprises entre -10 V et -20 V, le composant peut être totalement ouvert. Les

couples (XJCANAL/NCANAL) 0,2-0,25 µm/2¥1017 cm-3 et 0,2 µm/3¥1017 cm-3 sont

de bons candidats pour la réalisation d'un interrupteur et offrent, comme vu

précédemment, des performances intéressantes en conduction. La présence

d'une commande sur un composant limiteur de courant peut servir à ouvrir le

circuit en phase de court-circuit; la tension de commande peut être générée par

un interrupteur silicium (ou SiC) par détection de la tension aux bornes du

limiteur.

0 -2 -4 -6 -8 -10 -12 -14 -16 -18 -20 -2210-910-810-710-6

1x10-51x10-4

10-310-210-1100101102103104

VDS=50 V

0,15 / 2 1017

0,15 / 3 1017 0,2 / 2 1017

0,25 / 2 1017

0,2 / 3 1017

0,25 / 3 1017

J DS

[A/c

m2 ]

VGS [V]

figure 3-44 : Densité de courant (en Logarithme décimal ) en fonction de la tension decommande à l'ouverture, sous VDS=50 V pour différents couples XJCANAL / NCANAL ([µm] /

[cm-3]) (LCANAL=4 µm / LINTER=5 µm / P+=1018 cm-3).



104

2.11 Tenue en tension

2.11.1 Tension de claquage de la zone active

La tension de claquage du composant dépend des caractéristiques de

son épitaxie (épaisseur / dopage) et de la dose choisie pour la réalisation du

canal. La figure 3-45 montre les résultats des simulations de claquage pour trois

niveaux de dopage différents pour l'épitaxie (5¥1015, 1016 et 1,5¥1016 cm-3),

son épaisseur est constante et égale à 6 µm et des doses de canal

(XJCANAL¥NCANAL) variables. Le réseau tracé sur la figure 3-45 indique deux

comportements distincts : une tension de claquage indépendante du canal (zone

2), puis une décroissance d'environ 100 V par 1012 cm-2 quel que soit le dopage

(zone 1). La dose de canal correspondant à la transition zone 2 / zone 1 diminue

avec le dopage de l'épitaxie. Le modèle relatif à l'intégrale d'ionisation est

décrit dans le chapitre précédent et on considère qu'il y a claquage par

avalanche lorsque l'une des deux intégrales, Ip ou In, est égale à 1.

1x10122x10123x10124x10125x10126x10127x10128x10129x10121x10130

200

400

600

800

1000

1200

12

Pente=100 V / 1012 cm-2

V BR [

V]

Dose du canal (XJCANAL*NCANAL) [cm-2]

5 1015 cm-3 / 6 µm 1016 cm-3 / 6 µm 1,5 1016 cm-3 / 6 µm

figure 3-45 : Claquage de la zone active du composant en fonction du dopage del'épitaxie, NEPI, et la dose présente dans le canal (XJCANAL¥NCANAL)



105

Le lieu de claquage relatif à la zone 1 se situe au centre de

l'intercellule, à l'interface SiO2/SiC, et se situe en fin de P+ pour la zone 2. Les

lieux de claquage sont représentés sur la figure 3-46. Le cas présenté sur la

figure 3-46 correspond à un claquage simultané en fin de région P+ et à

l'intercellule.

0 200 400 600 800 10000

100

200

300

400

500

600

700

800 VBR

J DS

[A

/cm

2 ]

VDS [V]

(a)

12

P+

NEPI

NWAFER

(b)

figure 3-46 : Claquage de la zone active ducomposant. (a) Densité de courant JDS enfonction de VDS, (b) densité de courant Je et(c) Jt dans la structure au moment duclaquage indiqué en (a). Le champ électriqueapparaît sous forme de ligne "d'isochamp".Les régions 1 et 2 sont les lieux de claquagessuivant les choix de dopages effectués. Dansle cas présent: XJCANAL=0,25 µm /NCANAL=2¥1017 cm-3 / WEPI=6 µm / NEPI=1016 cm-3

/ LCANAL=4 µm / LINTER=5 µm, le claquage estatteint simultanément en 1 e 2.

12

P+

NEPI

NWAFER

(c)

Dans la zone 2 (figure 3-45), le claquage se situe en bordure de P+ et

est conditionné par le pic de champ électrique. L'effet de courbure des

équipotentielles dépend du choix de l'extension latérale de la région P+, le cas

étudié correspond à un pire cas avec un profil de dopage très abrupt. Lorsque la



106

dose du canal augmente, le champ électrique à l'intercellule (à l'interface

SiO2/SiC) augmente et, une fois le champ de claquage atteint, la structure

présente un claquage simultané, en fin de P+ et au centre de l'intercellule (figure

3-46). Pour des doses de canal supérieures, le claquage se situe principalement

à l'intercellule et la répartition du champ électrique dans la structure est

contrôlée par la couche NCANAL comme illustré sur la figure 3-47.

0 1 2 3 4 5 60,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0 0,25 / 2 1017

0,25 / 2,5 1017

0,25 / 3 1017

1,5 1016

1016

321

321

1x10122x10123x10124x10125x10126x10127x10128x10129x10121x10130

200

400

600

800

1000

1200

32

1

V BR [

V]

Dose du canal (XJCANAL*NCANAL) [cm-2]

Cha

mp

élec

triq

ue [

MV/

cm]

Distance [µm]

(a)

0 1 2 3 4 5 60,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0 0,25 / 2 1017

0,25 / 2,5 1017

0,25 / 3 1017

1,5 1016

1016321

321

1x10122x10123x10124x10125x10126x10127x10128x10129x10121x10130

200

400

600

800

1000

1200

32

1

V BR [

V]

Dose du canal (XJCANAL*NCANAL) [cm-2]C

ham

p él

ectr

ique

[M

V/cm

]

Distance [µm]

(b)

figure 3-47 : Profils de champ électrique au moment du claquage suivant : (a) une coupe3, (b) une coupe 2. Le claquage a lieu à l'intercellule (zone 1), la valeur du pic de champélectrique en fin de P+ ne dépend pas du dopage de l'épitaxie, NEPI.

Ces résultats de tenue en tension montrent que les caractéristiques de la

couche épitaxiée ne conditionnent pas à elles seules le claquage du composant,

la dose présente dans le canal intervient et, en augmentant, diminue le calibre

en tension au profit du calibre en courant.

Nous évaluons maintenant la tenue en tension de la protection

périphérique choisie.

2.11.2 Protection périphérique

Diverses techniques permet d'optimiser la tenue en tension des

composants de puissance : extension latérale de jonction (JTE) [Orto'98],



107

plaque de champ, anneaux de garde, gravure. L'objectif est de faciliter le

bouclage des équipotentielles en évitant au maximum l'effet de pic de champ

électrique induit dans le semi-conducteur. Nous ne tenons compte ici que du

claquage du semi-conducteur sans prendre en compte le claquage d'une

éventuelle couche de passivation. Nous considérons simplement une couche

d'air "coiffant" la terminaison.

Dans notre cas le critère de choix de la terminaison est avant tout une

compatibilité technologique avec la réalisation de la partie active, nous

reviendrons sur ce point dans la partie relative à la technologie choisie.

La protection périphérique retenue est réalisée par une succession de

zones P+ non polarisées dont l'espacement et la largeur doivent être optimisés

pour obtenir une tension de claquage la plus proche possible de la tension de

claquage maximale (tenue en tension d'une jonction plane infinie à structure

"verticale"). Ce type de protection est communément appelé "anneaux de

garde" [Plan'94]. La figure 3-48 regroupe les résultats de tenue en tension de la

périphérie en fonction des l'espacement des anneaux. Le nombre d'anneaux est

de trois et l'espacement entre anneaux est identique.

1 2 3 4 5

600

800

1000

1200

1400Tension de claquage maximale (6 µm / 5 1015 cm-3)

44 %

52 %

62 %67 %

V BR [

V]

Espacement des anneaux de garde [µm]

figure 3-48 : Tension de claquage, VBR, et efficacité de la protection (%) en fonction del'espacement entre les anneaux de garde (nombre d'anneaux=3, largeur d'un anneau=10µm, épitaxie=6 µm / 5¥1015 cm-3)



108

Une protection optimisée par anneaux de garde requiert un écartement

progressif des anneaux ainsi qu'un choix judicieux de leur largeur et nombre

[Niu'00] [Plan'94]. L'étude proposée ici n'est pas l'optimisation de la protection

par anneaux de garde mais seulement une analyse de la configuration prise

compte tenu des exigences technologiques développées ultérieurement (figure

3-49).

La périphérie utilisée pour la réalisation du composant comprend 3

anneaux de garde espacés de 3 µm et de largeur 10 µm, la tension de claquage

obtenue est de 720 V.

Comme l'illustre la figure 3-49 (b), la protection périphérique retenue

n'est pas optimisée, les pics de champ électrique en bordure des régions P+

doivent être équilibrés dans le cas d’une périphérie par anneaux de garde

optimisée.

(a)

20 30 40 50 60 70 800

1

2

3

4

Cha

mp

élec

triq

ue [

MV/

cm]

Distance [µm]

0

100

200

300

400

500

600

700

NEPI

P+P+P+P+

Pote

ntie

l [V

]

(b)

figure 3-49 : (a) Distribution des équipotentielles en périphérie à VDS=700 V (VBR=720 V),(b) profils du champ électrique et du potentiel suivant une coupe latérale à XJP+ pour VDS

égal à 300, 500 et 700 V (le cas illustré donne une efficacité de protection de 52 % (figure3-48)).



109

3 Simulations électrothermiques

Les simulations électrothermiques vont nous permettre de connaître

l'aptitude en température du limiteur. Son comportement thermique imposera

un calibrage du composant en densité de courant admissible vis-à-vis d'un

fonctionnement donné. Les structures étudiées dans cette partie sont maintenant

armées d'un wafer N+ (300 µm / 3¥1018 cm-3) coté drain. Nous prendrons en

compte l'ionisation des donneurs (EC-ED=70 meV), ainsi que les variations de

la conductivité thermique, de la mobilité, des coefficients d'ionisation par

impact en fonction de la température.

Divers stress en tension seront appliqués :

• Montée en tension VDS de 0 à 500 V de 0 à 1 ms, puis constante

à 500 V (>1 ms).

• Divers environnements thermiques.

• Diverses alternances de tensions sinusoïdales de valeur crête 300

et 600 V et à diverses fréquences (50 Hz, 500 Hz, 5 kHz, 50 kHz).

3.1 Créneau de tension, VDS

Le limiteur est placé comme unique charge d'une source de tension, il

est ainsi en situation de court-circuit et doit être capable de limiter le courant

tout en supportant la tension appliquée. La forme d'onde de tension utilisée est

un créneau de 500 V avec un temps de monté de 1 ms (figure 3-50).



110

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

100

200

300

400

500

V DS

[V]

Temps [ms]

figure 3-50 : Tension VDS en fonction du temps.

figure 3-51 : Configuration thermique (pas dedissipation coté source; résistance thermique, RTH,de 0,1 K.cm2/W coté drain) et températures deréférence utilisées.

Une résistance thermique de 0,1 K.cm2.W-1 est placée coté drain (soit

3,5 mm de cuivre). La température ambiante, Tamb, est de 300 K. Nous

étudierons le comportement électrothermique de limiteurs dont le niveau de

dopage de canal varie entre 2¥1017 cm-3 et 4¥1017 cm-3 et pour deux

profondeurs de canal, 0,2 µm et 0,3 µm. Les paramètres fixés de la structure

sont énoncés dans le tableau suivant:

Canal EpitaxieLCANAL=4 µm

eOX=0,1 µm

NEPI=5¥1015 cm-3

WEPI=6 µm

P+ SubstratXJP+=1 µm

P+=1018 cm-3

LP+=10 µm

LINTER=5 µm

NWAFER=3¥1018 cm-3

WWAFER=300 µm



111

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00

500

1000

1500

2000 XJCANAL=0,3 µm

2,5 1017 cm-3

3 1017 cm -3

3,5 10 17 cm -3

2 1017 cm-3

4 10 17 cm -3

J DS

[A/c

m2 ]

temps [ms]

(a1)

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00

500


4 10 17 cm -3

3,5 10 17 cm -3

3 1017 cm-3

2,5 1017 cm-3

2 1017 cm-3

J DS

[A/c

m2 ]

temps [ms]

(a2)

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

400

600

800

1000

1200

1400 TJONCTION TBASE

2 1017 cm

-34 10

17 cm-3

T JON

CTIO

N ,

T BASE

[K

]

temps [ms]

(b1)

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

400

600

800

1000

1200

1400 TJONCTION TBASE

2 1017 cm-3

4 1017 cm-3

T JONC

TIO

N, TB

ASE [

K]

temps [ms]

(b2)

figure 3-52 : (a1) (a2), Variation de la densité de courant, JDS, et, (b1) (b2), destempératures de base et de jonction, TBASE et TJONCTION, en fonction du temps (entre 0 et1 ms) pour différents niveaux de dopage du canal, NCANAL, et une tension VDS variantcomme indiquée sur la figure 3-50 et dans les conditions thermiques décrites figure3-51. Le numéro, 1 ou 2, adjoint à la lettre référençant les figures, indiquerespectivement une profondeur de canal, XJCANAL, de 0,3 et 0,2 µm.

L'évolution de la densité de courant en fonction du temps proposée sur

la figure 3-52 (a1 et a2) montre clairement une diminution du courant de

saturation due à l'augmentation de la température interne dans le composant.

Nous avons choisi un critère d'arrêt empirique des simulations, symptomatique

de la destruction du composant. Une température maximale de 1500 K (1227

°C) semble excessive pour la métallisation et la couche d'oxyde et sera notre



112

critère d'arrêt. Notons cependant, qu'à cette température, rien ne laisse présager,

à la vue des courbes J(t), un quelconque emballement thermique du limiteur

pouvant engendrer sa destruction. Les courbes de la figure 3-52 indiquent que

le niveau de courant obtenu à haute température est, comme pour les

caractéristiques statiques, fonction des paramètres du canal. La structure

conserve ainsi sa fonctionnalité à haute température en limitant, voire

diminuant, la puissance interne dissipée (J¥V). Dans deux configurations de

canal (0,2 µm / 2¥1017 cm-3 et 0,2 µm / 2¥1017 cm-3) le régime permanent est

atteint (figure 3-53 (c)). Bien sur, l'équilibre obtenu est directement lié à notre

condition limite thermique définie figure 3-51 et uniquement valable dans ce

contexte.

0 1 2 3 4 50

50

100

150

200

0,2 µm / 2 1017 cm-3

0,2 µm / 4 1017 cm-3

0,3 µm / 2 1017 cm-3

0,3 µm / 4 1017 cm-3

Puis

sanc

e di

ssip

ée [

kW/c

m²]

temps [ms]

(a)

0 2 4 6 8 100

500


4 10 17 cm-3

2,5 1017 cm-32 1017 cm-3

J DS

[A/c

m2 ]

temps [ms]

(b)

figure 3-53 : (a) Puissance dissipée enfonction du temps, suivant NCANAL etXJCANAL, produit J¥V issu des courbesdonnées figure 3-50 et figure 3-52. (b)densité de courant, et (c) températures,TJONCTION et TBASE en fonction du temps(0 à 10ms) : régime permanent atteint àTJONCTION =950 K (P=25 kW/cm2 / JDS=55A/cm2 / VDS=500 V).

0 2 4 6 8 10

400

600

800

1000

1200

1400

XJCANAL=0,2 µm

2,5 1017 cm-3

TJONCTION TBASE

2 1017 cm-3

4 10

17 c

m-3

T JONC

TIO

N, TB

ASE [

K]

temps [ms]

(c)



113

Le principal paramètre physique thermo-sensible responsable de la

diminution du courant est la mobilité électronique dans le canal, µncanal, qui,

d'après le modèle utilisé, décroît suivant T-2. La température influente est celle

du canal, soit TJONCTION. Le siège du maximum de puissance joule fournie

(définie comme le produit scalaire du vecteur densité de courant de conduction

et du vecteur champ électrique) est localisé en fin de canal où se situe le

maximum de densité de courant dans le composant et un champ électrique

élevé.

La figure 3-54 illustre la situation électrique dans le canal à travers une

coupe longitudinale (coupe 4) suivant laquelle sont tracés les profils de densité

de courant, de mobilité électronique et de la puissance joule à différents

instants pour un limiteur dont les caractéristiques sont : LCANAL=4 µm,

NCANAL=2¥1017 cm-3, XJCANAL=0,2 µm. On constate effectivement (figure 3-54

(c)) l'influence de la température sur la mobilité des électrons dans le canal

(µn(370K)=300 cm2.V-1.s-1 / µn(950K)=60 cm2.V-1.s-1), et ainsi sur la densité de

courant le traversant (Je(11µm/370K)=4¥104 A.cm-2 / Je(11µm/950K)=104 A.cm-2). Le

lien entre mobilité et densité de courant n'est pas direct, il faut tenir compte de

tous les paramètres physiques du semi-conducteur qui varient tous en

température. La figure 3-54 (c) montre la réduction importante de la mobilité

en fin de canal due à l'augmentation du champ électrique, la vitesse de transport

des électrons tend vers une valeur limite (2¥107 cm.s-1 pour les simulations)

diminuant avec la température.

Concernant la puissance joule dissipée (figure 3-54 (d)), elle atteint

aisément 10 GW.cm-3 en fin de canal (TJONCTION=370 K), dans une

configuration où la densité de courant de saturation en statique est de 200

A.cm-2; les structures calibrées à 2000 A.cm-2 sont familières du domaine des

100 GW.cm-3.



114

0 1 2 8 100

50

100

150

200

876543

2

1

J DS

[A/c

m2 ]

Temps [ms]

400

600

800

1000

T JONC

TIO

N [K

]

(a)

10 11 12 13 140

2x104

4x104

6x104

8x104

1x105

8 7 6 54

3

2

1

Je [

A/c

m2 ]

Longueur [µm]

(b)

10 11 12 13 140

100

200

300

400

87654

3

2

1

µ n [

cm2 .V

-1.s

-1]

longueur [µm]

(c)

10 11 12 13 14107

108

109

1010

8 7 6 54

32

1

P JOU

LE

[W

/cm

3 ]

longueur [µm]

(d)

figure 3-54 : (a) Variation de JDS et TJONCTION en fonction du temps. Coupe longitudinale(coupe 4) dans le canal montrant l'évolution de: (b) la densité de courant d'électron, Je,(c) la mobilité électronique, µn, et (d) la puissance joule dissipée, PJOULE, à différentsinstants (0,3 / 0,6 / 0,9 / 1,2 / 1,5 / 1,8 / 2 / 10 ms). (NCANAL=2¥1017 cm-3 / XJCANAL=0,2 µm).

La simulation électrothermique permet ainsi de définir le calibre en

densité de courant du limiteur. Le domaine du possible dépend de l'application

choisie. Dans le cas usuel de protection série, un disjoncteur est chargé d'ouvrir

le circuit une fois le courant de défaut détecté. Le temps de réaction de ce

disjoncteur et la stratégie adoptée déterminent un choix possible du calibre du

limiteur. Si l'on souhaite obtenir une ouverture rapide du circuit (200 µs à 400

µs), la préférence ira vers un limiteur 2000 A.cm-2, inversement on peut choisir

délibérément un limiteur de 100 A.cm-2 pour pouvoir utiliser un disjoncteur



115

moins performant, voire même, laisser le limiteur agir seul pendant une durée

contrôlée (pendant des transitoires de courant inhérents au circuit par exemple).

De ce point de vue, il est important de mieux estimer l'évolution de la

température en fonction du temps. La condition limite fixée (RTH= 0,1

K.cm2.W-1 coté drain) est insuffisante ne permet pas de tenir compte de la

capacité thermique éventuelle du matériau placé sous le SiC. La réponse

temporelle obtenue est donc relative à ce cas précis.

3.1.1 Diverses "semelles" thermiques

(a) (b)

(c)

(d)

figure 3-55 : Comparaison de différentes configurations concernant l'environnementthermique du composant. (a) simple résistance thermique face arrière (0,1 K.cm2.W-1),(b) couche de cuivre (1 mm) face arrière, (c) couche de cuivre+céramique face arrière(1+1 mm), (d) couche de cuivre face avant et arrière (1 mm et 1 mm, RTH=1 K.cm2.W-1 cequi correspond à environ 1 mm de la céramique utilisée en (c)).(Tamb=300 K)



116

L'impact des conditions limites thermiques sur l'évolution de la

température de jonction, TJONCTION, est évalué en considérant divers cas,

illustrés sur la figure 3-55. Le cas (a) correspond aux résultats présentés dans

l'étude précédente, le cas (b) intègre une couche de cuivre de 1 mm face arrière,

le cas (c) propose une succession de deux couches face arrière : 1 mm de cuivre

puis 1 mm de céramique, et le cas (d) illustre une configuration "sandwich" où

la chaleur est évacuée par les deux faces (coté source et drain), chacune via une

couche de cuivre (1 mm) suivie d'une résistance thermique de 1 K.cm2.W-1. Les

propriétés thermiques du cuivre et de la céramique utilisés sont synthétisées

dans le tableau ci-dessous :

Cuivre Céramique

Conductivité thermique [W.cm-1.K-1]

Capacité thermique volumique [J.cm-3.K-1]

3,98

3,42

0,167

2,78

L'étude est proposée pour un limiteur de longueur de canal 4 µm,

profondeur de canal 0,2 µm et dopage de canal 2¥1017 cm-3, son comportement

dans le cas d'une forme d'onde de tension présentée sur la figure 3-50 est

proposé sur la figure 3-53 et en détail sur la figure 3-54. La variation de la

tension VDS au cours du temps est la même que précédemment (figure 3-50).

Les résultats de simulations sont présentés sur la figure 3-56. L'allure

de la variation de la température de jonction, TJONCTION, varie légèrement avec

la prise en compte d'un matériau massif à la place d'une simple résistance

thermique. La configuration thermique la plus intéressante est évidemment le

cas (d), où la chaleur est évacuée par les deux faces de la plaquette de SiC.

Dans ce cas, la température de jonction atteint 550 °C à t=10 ms. Cette

réflexion est un préambule à une éventuelle encapsulation du composant, on

peut alors imaginer un boîtier à deux pattes dans un format similaire à celui

employé par ST Microelectronics pour les transils 1500 W. Les matériaux

employés doivent tenir la température, on préférera ainsi les céramiques.



117

L'étude concernant des matériaux isolants haute température est importante

pour la réalisation d'oxyde de grille ou de passivation, les deux étant contraints

à travailler à haute température (oxyde de grille du limiteur à la cote 1000 µm

de la figure 3-56 (b) est à TJONCTION).

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

400

600

800

1000

1200

sandwich : 1 mm cuivre + RTH=1 K.cm2/W (d)

1 mm cuivre + 1 mm céramique (c)

1 mm cuivre (b)

RTH=0,1 K.cm2/W (a)

T JON

CTI

ON

[K]

Temps [ms]

(a)

0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250300

350

400

450

500 Cuivre

1 ms

0,75 ms

0,5 ms

0,25 ms

SiC-4H Cuivre

Tem

péra

ture

[K

]

Profondeur [µm]

(b)

figure 3-56 : (a) Evolution de la température de jonction, TJONCTION, au cours du tempssuivant diverses conditions limites thermiques (figure 3-55), (b) répartition de latempérature suivant la profondeur (coupe 2) dans le cas (d), à t=0,25 / 0,5 / 0,75 et 1 ms.

3.2 Source de tension sinusoïdaleNous proposons ici d'évaluer le comportement électrothermique d'un

limiteur (JDSSAT~700 A.cm-2, NCANAL=2,5¥1017 cm-3, XJCANAL=0,2 µm,

LCANAL=4 µm, LINTER=5 µm) en série sur une source de tension alternative dont

nous ferons varier la fréquence et l'amplitude (fréquence=50 Hz, 500 Hz, 5

kHz, 50 kHz, et tension crête=300 et 600 V). La condition thermique prise est

celle de la figure 3-55 (c). Nous évaluons ainsi la capacité de ce composant à

supporter un court-circuit pendant la première alternance positive.



118

0 2 4 6 8 100

100

200

300

400

500

600

700

J DS [

A/c

m2 ]

Temps [ms]

0

100

200

300

V DS [

V]

(a)

0 2 4 6 8 100

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

P J DS*V

DS [

W/c

m2 ]

Temps [ms]

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

TRTH

TJONCTION

T JONC

TIO

N, T

RTH

[K]

(b)

figure 3-57 : (a) Densité de courant et tension aux bornes du limiteurs (NCANAL=2,5¥1017

cm-3 / XJCANAL=0,2 µm / LCANAL=4 µm / LINTER=5 µm) et (b) densité de puissance ettempérature de jonction pour le même limiteur en fonction du temps pour unealternance positive 300 V / 50 Hz.

101 102 103 104 105

660

680

700

720

VDS-crête=600 V

VDS-crête=300 V

J DS-

MA

X [A

/cm

2 ]

Fréquence [Hz]

(a)

101 102 103 104 105300

600

900

1200

1500

VDS-crête=300 V

VDS-crête=600 V

T JON

CTI

ON

-MA

X [K

]

Fréquence [Hz]

(b)

figure 3-58 : (a) Densité de courantmaximale, (b) Température de jonctionmaximale et (c) puissance dissipéemaximale en fonction de la fréquence etde la tension crête pour la premièrealternance. Caractéristique du limiteur :NCANAL=2,5¥1017 cm-3 / XJCANAL=0,2 µm /LCANAL=4 µm / LINTER=5 µm.

101 102 103 104 1050

100

200

300

400

VDS-crête=600 V

VDS-crête=300 V

P J DS*V

DS-M

AX

[kW

/cm

2 ]

Fréquence [Hz]

(c)



119

La figure 3-57 montre le résultat d'une simulation électrothermique sur

le limiteur décrit précédemment, pour la première alternance d'une tension VDS

300 V / 50 Hz. La densité de courant traversant le composant sature puis

décroît avec la température. La température de jonction maximale atteinte est

d'environ 1000 K (727 °C) alors que la température coté résistance thermique

(RTH entre TRTH et Tamb) atteint 800 K (527 °C) à t=10 ms. Le calibre en

courant du composant (700 A.cm-2) étudié semble être la limite maximale que

l'on puisse tolérer avec les conditions limites thermiques utilisées (figure 3-55

(d)) en supposant que le composant agi seul pendant la première alternance.

Pour des fréquences et tensions crêtes variables (figure 3-58), le composant

choisi se comporte globalement de la même façon à 50 Hz et à 50 kHz (à 600 V

/ 50 kHz le dv/dt max est d'environ 200 V/µs), que ce soit à 300 V ou 600 V.

Le composant étudié ne parvient cependant pas à tenir 10 ms à 600 V / 50 Hz,

la température de jonction atteint 1500 K à t=6 ms. La densité de courant

maximale atteinte se rapproche de la densité de courant de saturation en

statique lorsque la fréquence augmente, la température de jonction diminuant

avec la fréquence. On devine à la vue de ces résultats l'importance des

conditions limites thermiques vis-à-vis de la réponse temporelle en température

dépendante du comportement de l'impédance thermique globale (Z) en fonction

de la fréquence.

Un limiteur de courant calibré entre 250 et 500 A.cm-2 de densité de

courant de saturation peut être alors capable de tenir un court-circuit sur une

alimentation 300-600 V / 50 Hz avec les conditions limites thermiques décrites

sur la figure 3-55 (d), ses caractéristiques sont alors : NCANAL=2-2,5¥1017 cm-3 /

XJCANAL=0,2 µm / LCANAL=4 µm / LINTER=5 µm.

Pour une efficacité de protection bidirectionnelle en tension, l'emploi

de deux limiteurs en série (montés "tête-bêche") est possible. La conduction

dans le composant, lorsque VDS est négatif, est assurée par la diode interne et le

canal non pincé.



120

4 Réalisation et contraintes technologiques

4.1 Contraintes techniquesLa réalisation d'un premier prototype utilisera des étapes

technologiques les plus simples possibles et ainsi garantir une "portabilité" de

la réalisation du composant. Nous utiliserons l'implantation ionique pour la

réalisation des couches P+ et N+ en restant dans des gammes d'implantation

compatibles avec les implanteurs standards (350 keV maximum).

L'implantation P++ pour la prise de contact sur la couche P+ est remplacée par

une gravure. L'implantation de la couche N de canal peut alors être effectuée

sans masquage, la gravure permet de réaliser la protection périphérique par

anneaux de gardes implantés en même temps que la couche P+. Les règles de

dessin adoptées autorisent une résolution minimale du masque de 3 µm, ce qui

correspondra à l'espacement minimum entre les anneaux de garde. Le jeu de

masques comporte seulement cinq niveaux. Le détail des étapes technologiques

est donné dans le chapitre suivant. La figure 3-59 montre la structure envisagée

pour la réalisation d'un prototype de limiteur de courant.

NWAFER

NEPI

P+ P+ P+ P+ P+

N++

NCANAL Anneaux de garde

figure 3-59 : Structure envisagée avec l'incorporation de la réalisation anneaux de gardeavec l'étape d'implantation P+ et la gravure de prise de contact de P+.



121

4.2 Simulation de la structure et profils de dopage prévusPour le premier prototype, nous visons des densités de courant de

saturation relativement modestes correspondant à un canal de 0,2 µm dopé à

2¥1017 cm-3. Cette limitation est essentiellement due au choix relatif aux

implantations P+ et NCANAL. L'implantation P+ est la plus profonde possible, soit

une énergie d'implantation de 350 keV pour l'impureté considérée, l'aluminium.

Le pic de la distribution d'aluminium suivant la profondeur se situe

approximativement à 0,4 µm. La dose d'implantation P+ doit être la plus faible

possible pour autoriser une compensation plus aisée de la région P, située entre

la surface du SiC et le pic d'implantation P+, l'implantation d'azote réalisant la

couche NCANAL. Des simulations avec le logiciel développé par E. Morvan

[Morv'99], ont permis d'aboutir à un configuration possible d'implantation

proposée sur la figure 3-60. Le dimensionnement du canal tient compte de

l'épaisseur de SiC consommé pendant l'oxydation de grille, soit ~50 nm pour

une couche de SiO2 de 100 nm. La caractéristique électrique espérée

correspondant à LCANAL=4 µm et LINTER=5 µm est donnée sur la figure 3-61.

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1

1016

1017

1018

P+

Profil de dopage

NC

ANAL

NCANAL (azote)NEPI=5 1015 cm-3

P+ (aluminium)

Con

cent

ratio

n [c

m-3

]

Profondeur [µm]

figure 3-60 : Profil de dopage évalué par simulation [Morv'99], prise en compte de 50 nmde SiC consommés pendant l'oxydation (100 nm).



122

0 5 10 15 20 25 30 35 400

50

100

150

200

250

300

RON-SPE=20 mΩ.cm2

JDSSAT=250 A.cm-2

IDSSAT=480 mA.cm-1

VDSSAT=5 V

J DS

[A/c

m2 ]

VDS [V]

figure 3-61 : Simulation de la caractéristique électrique statique d'un limiteur dont leprofil de dopage du canal est donné figure 3-60 (LCANAL=4 µm / LINTER=5 µm / NEPI=5¥1015

cm-3 / WEPI=6 µm / NWAFER=3¥1018 cm-3 / WWAFER=300 µm).

Chapitre 4 : réalisation et caractérisation


123

Chapitre 4

REALISATION ET CARACTERISATION

Dans ce chapitre nous préciserons les étapes technologiques choisies

pour la réalisation d’un démonstrateur limiteur de courant, les caractérisations

électriques et physiques obtenues sur le premier "run" et nous proposerons des

corrections technologiques à apporter pour améliorer les performances des

prototypes suivants. Les caractéristiques du second "run" seront exposées.

1 Réalisation technologique

1.1 Processus technologique et masquesLes choix technologiques retenus ont été guidés par un souci de limiter

au maximum le nombre de photolithogravures nécessaires ainsi que la

complexité des étapes technologiques entrant dans le procédé de fabrication. Le

composant sera réalisé à partir de briques technologiques non attachées à un

savoir-faire spécifique et pourra autoriser une portabilité du procédé de

fabrication.



124

Le premier "run" utilise l’implantation ionique, la gravure, l’oxydation

thermique, le recuit post-implantation et la métallisation, chaque étape (sauf le

recuit post implantation) étant réalisable dans la plupart des centres

technologiques du silicium. Les gammes d’implantation utilisées peuvent être

garanties par la plupart des implanteurs industriels. L’étape d’oxydation

thermique est également largement employée dans la technologie SiC. Seule

l’étape de recuit post-implantation reste très spécifique au SiC et nécessite un

équipement dédié. La présence d’un four de recuit haute température au

CEGELY ainsi qu’une expérience dans ce domaine nous permettent un accès

facile à ce point technique.

1.1.1 Processus de fabrication

Une description des points clés de la réalisation du composant est

proposée ci-dessous :

1. Implantation aluminium : la couche P+ "enterrée" est réalisée par implantation locale d’aluminium,

les anneaux de garde sont intégrés directement et ne nécessitent donc pas d’étapes spécifiques.

2. Implantation azote : création du canal par implantation d’azote ‘pleine plaque’.



125

3. Implantation azote : implantation locale d’azote pour la réalisation d’un contact ohmique.

4. Gravure SiC : gravure locale du SiC pour rejoindre la couche P+ "enterrée". La protection

périphérique apparaît alors et se constitue de 3 anneaux de garde et d’un "stop channel" (N++).

5. Oxydation thermique : croissance de l’oxyde thermique de ‘grille’.

6. Métallisation face avant et arrière : la métallisation face avant court-circuite N++ et P+.

L’architecture utilisée pour la répartition des cellules est basée sur un

pavage hexagonal (figure 4-2) constituant le meilleur compromis entre un

périmètre de canal maximal et une surface minimale de SiC utilisée. De plus, le

passage de la périphérie circulaire aux cellules actives hexagonales est ainsi

optimisé.



126

Paramètres technologiques :

Pour le "run" 1, une étape de marquage des régions P+ implantées s'est

greffée entre les étapes 1 et 2 pour améliorer l'alignement entre les étapes 1 et

3. Ce rajout impromptu dans le procédé de fabrication consiste en une étape

d'oxydation thermique sacrificielle qui consomme, pendant sa croissance, plus

de SiC sur les régions implantées P+ que sur les zones vierges. Une fois l'oxyde

enlevé, il est alors possible de repérer visuellement les zones P+.

1. Implantation P+ (aluminium) 2. Implantation N+ (azote) 3. Implantation N++ (azote)

350 keV / 4¥1013 cm-2 180 keV / 5¥1012 cm-2

150 keV / 2,5¥1012 cm-2

120 keV / 2¥1012 cm-2

80 keV / 1,6¥1012 cm-2

50 keV / 1,2¥1012 cm-2

30 keV / 0,5¥1012 cm-2

100 keV / 1015 cm-2

50 keV / 1015 cm-2

25 keV / 1015 cm-2

Recuit post-implantation 1700 °C / 30 min

4. Gravure RIE 0,3 µm

5. Oxydation thermique 0,1 µm

6. Métallisation Ni 0,2 µm avant-arrière.

1.1.2 Masques

Le tableau ci-dessous propose une synthèse des masques nécessaires au

processus de fabrication ainsi qu’un commentaire rapide sur leur utilisation.

Seulement six niveaux de masques sont utiles (à rapprocher des cinq

niveaux de masque du process que nous utilisons pour l’élaboration de diodes

protégées par JTE et munies d’un ‘stop channel’), dont un niveau (le premier)

servant seulement de repère visuel pour la photolithogravure.



127

Niveaux Nom de masque Etapes

1 ACTIVE Gravure locale (0,4 µm) pour placer les motifs sur la plaquette.

2 PCAISSON Implantation locale d’Aluminium, création de la couche P enterrée. Puis une légère oxydation

destinée à marquer les zones P ; la consommation de SiC étant plus importante sur les zones P

que sur N (probablement due à une légère amorphisation du SiC ayant vu l’implantation).

3 LCANAL Suite à une implantation pleine plaque d’Azote pour la réalisation du canal,

une seconde implantation d’Azote pour la réalisation du contact ohmique de

Source. La zone de recouvrement Ncanal et P+ définie la longueur du canal.

4 GRAVURE Gravure 0,3 µm pour prise de contact P enterrée. Préparation pour le futur court-circuit PN face

avant.

5 CONTACT Oxydation thermique (0,1 µm) puis ouverture pour contact de Source

6 METAL Métallisation locale de la face avant de la plaquette

PCAISSONLCANAL GRAVURE

CONTACT

Superposition des niveaux de masques METAL

figure 4-1 : Détails de la géométrie des masques utilisés, aperçu de la structurehexagonale des cellules actives.



128

1 cellule

figure 4-2 : Représentation schématique d’un limiteur à 7 cellules hexagonales. Unecoupe à travers la métallisation permet de situer les zones actives dans le semi-conducteur.

Les limiteurs à structure hexagonale incorporés sur le masque

comportent 19 cellules actives. Les composants sont déclinés en différents

types suivant leur longueur de canal, LCANAL et leur largeur intercellulaire,

LINTER.

Le tableau ci-dessous recense les valeurs choisies pour LCANAL et

LINTER ainsi que la nomenclature adoptée.

LCANAL [µm]

4 5 6

H2 H5 H84

Surface de contact de source=0,047 mm2

H3 H6 H96


H4 H7 H0

2¥LINTER [µm]

8




129

Le périmètre conducteur est le même pour toutes les structures et est

égal à 2880 µm. Les 19 cellules sont disposées comme le montre la figure 4-2,

la périphérie circulaire est composée de trois anneaux de garde espacés de 3

µm. La largeur d'un anneau est de 10 µm. 20 µm séparent le dernier anneau de

garde du "stop channel" dont la largeur est de 20 µm.

Le courant de saturation visé est d'environ 150 mA et une tension de

saturation d'environ 5 V, soit un RON de l'ordre de 30 Ω.

2 Caractérisations du run 1La plaquette utilisée provient de la société CREE Research et présente

les caractéristiques suivantes :

SiC-4H, diamètre 50 mm (2’)

substrat N+ (ρ= 0,02 Ω.cm - 430µm) / Epitaxie N (3,8×1015 cm-3 -

7µm). Selon CREE, une résistivité de 0,02 Ω.cm correspond à un dopage de

7×1018 cm-3, ce qui conduit à une mobilité des électrons de 15 cm2.V-1.s-1.

La capacité du four de recuit post-implantation du CEGELY étant

limitée à une taille de plaquette de 35 mm (1,4’), nous avons été contraints de

scinder la plaquette originale en 4 quarts identiques. Seuls 3 quarts

participeront à la réalisation dont un sacrifié pour la mise au point d’étapes

telles que le marquage du P+, l’oxydation thermique, la gravure RIE. In fine,

deux quarts (quarts A et C) ont pu être menés à terme et caractérisés

électriquement.

Une caractérisation électrique systématique a été conduite sur tranche

avec une prise de contact sous pointe et une acquisition automatique des

caractéristiques I(V) à l’aide de la SMU Keithley 237 (100 mA / 100 V, soit

une puissance maximale de 10 W). La mesure du courant est effectuée à

l’équilibre thermique sous tension continue. La température interne du

composant est alors inconnue.



130

2.1 Caractérisation électrique du quart ALa métallisation utilisée pour la face avant du quart A se compose

d’une couche de nickel (0,2 µm, recuite à 800 °C) sur laquelle ont été déposés

successivement 0,1 µm de titane et 1 µm d’aluminium.

2.1.1 Centre de quart

Les composants des champs situés au centre du quart A présentent un

seuil de conduction d'environ 5 V. A partir d'une tension directe de 10 V, la

résistance dynamique (dv/di) augmente progressivement. Entre 40 V et 50 V, le

courant traversant le composant commence à devenir indépendant de la tension

à ses bornes et tend vers un niveau de saturation atteint entre 70 V et 80 V. Les

courbes I(V) représentées de la figure 4-3 à la figure 4-8 synthétisent les

tendances de comportement obtenues, en polarisation directe et inverse, sur un

champ représentatif (B3).

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Cou

rant

I D

S [m

A]

Tension VDS [V]

H4 H7 H0

figure 4-3 : Caractéristiques électriquesdirectes I(V) de limiteurs de types H4, H7et H0 du champ B3_A (2¥LINTER=8 µm).

-10 -8 -6 -4 -2 00

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Cour

ant

IDS

[m

A]

Tension VDS [V]

H4 H7 H0

figure 4-4 : Caractéristiques électriquesinverses I(V) de limiteurs de types H4,H7 et H0 du champ B3_A (2¥LINTER=8µm).



131

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Cou

rant

I D

S [m

A]

Tension VDS [V]

H3 H6 H9


-10 -8 -6 -4 -2 00

10

20

30

40

50

60

Cour

ant

ID

S [m

A]

Tension VDS [V]

H3 H6 H9


0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 2200

2

4

6

8

10

Cou

rant

I D

S [

mA

]

Tension VDS [V]

H2 H5 H8


-10 -8 -6 -4 -2 00

2

4

6

8

Cour

ant

I DS

[mA]

Tension VDS [V]

H2 H5 H8


Les figure 4-3, figure 4-5 et figure 4-7 regroupent les caractéristiques

électriques directes obtenues pour respectivement des largeurs intercellulaires



132

de 8, 6 et 4 µm. Ce paramètre influe directement sur l'allure des caractéristiques

comme prévu par la simulation.

Le tableau ci-dessous propose d'exposer cette tendance en liant

intercellule et courant direct, une correspondance est aussi proposée en fonction

du courant inverse.

Largeur

intercellulaire [µm]

Gamme de courants [mA]

obtenue à VDS=100V

Gamme de courants [mA]

obtenue à VDS=-10V

8

6

4

60 – 100 et plus

10 – 70

6 - 9

40 – 70

10 – 50

1 - 8

On peut également conclure à une indépendance du comportement des

composants vis-à-vis de la longueur de canal. De plus les caractéristiques

obtenues pour les largeurs intercellulaire de 6 µm et 8 µm sont relevées après

un premier 'claquage' à environ 80 V, pour des largeurs de 4 µm ce claquage se

situe à environ 300 V. Les mesures sont ensuite reproductibles.

Il semble que les porteurs responsables du courant mesuré passent bien

entre les implantations P+ et mais la saturation est difficilement corrélable avec

la longueur de canal. Le courant inverse suit la même tendance que le courant

direct vis-à-vis de la largeur intercellulaire. Par conception, le courant inverse

est la somme du courant de la diode interne polarisée en direct et du courant

empruntant le canal non pincé. La proportion du courant passant par le canal

apparaît alors comme composante majoritaire du courant inverse, la surface

consacrée à la diode est la même pour tous les types de motif de limiteur.



133

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

20

40

60

80

100

120

140

160

180 H4 H7 H0

Den

site

de

cour

ant

JD

S [A

/cm

²]

Tension VDS [V]

figure 4-9 : Caractéristiques électriques directes J(V) de limiteurs de types H4, H7 et H0du champ B3_A (LINTER=8 µm).

L'extraction de la résistance dynamique (inverse de dJ(v)/dv) à partir

des courbes de la figure 4-9 indique l'apparition d'une résistance négative

(figure 4-10) pour des tensions, VDS, supérieures à 70 V et une densité de

courant minimale de 100 A.cm-2, soit une puissance dissipée d'environ 7

kW.cm-2. Cette résistance négative est sans doute caractéristique d'une

température interne importante dans le limiteur. Malgré l'inconnue sur la

température interne, la décroissance du courant observée expérimentalement

était prévue par les résultats obtenus en simulation électrothermique.



134

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-2,0

-1,5

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

Rés

ista

nce

dyna

miq

ue [ Ω ΩΩΩ

.cm

²]

Tension VDS [V]

figure 4-10 : Résistance dynamique en fonction de la tension pour les limiteursprésentés sur la figure 4-9. Notons l'apparition d'une résistance négative lorsque VDS>70V et JDS>100 A/cm².

2.1.2 Bord de quart

L'analyse des champs situés en périphérie du quart A dévoile un nouvel

aspect des caractéristiques directes. Le 'seuil' de conduction disparaît pour

quelques motifs (figure 4-11). La figure 4-11 propose un ensemble de

caractéristiques électriques relevées en bord de quart. Il est encore délicat

d'oser une quelconque corrélation entre la longueur de canal, la largeur

intercellule et l'allure des courbes I(V) obtenues. L'augmentation de la

résistivité du composant est souvent régulière mais peut être parfois légèrement

marquée (motifs H6 et H9 de la figure 4-11). Il n'existe pas de zone de

saturation du courant très nette par rapport aux courbes présentant un seuil de

conduction (cf. figure 4-9 ). Nous noterons également une diminution du

nombre de dispositifs présentant une résistance négative observée sur les

dispositifs à fort courant de la figure 4-9 et illustrée sur la figure 4-10. Les

meilleures caractéristiques obtenues en bord de plaquette se caractérisent par



135

une résistance série spécifique de 150 à 200 mΩ.cm2 et une densité de courant

de "saturation" de 150 A.cm2 à 50 V.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Cou

rant

I D

S [m

A]

Tension VDS [V]

H2 H3 H5 H6 H8 H9

figure 4-11 : Echantillonnage de quelques caractéristiques électriques directes I(V) delimiteurs de types H2, H3, H5, H6, H8 et H9, obtenues en bord de quart (A) de plaquette.

2.1.3 Caractérisation en température

Des mesures électriques sous température ambiante contrôlée (de 25 °C

à 300 °C dans le cryostat) ont été effectuées sur des limiteurs de courant avec et

sans seuil de conduction. Le résultat des mesures en température, en

polarisation directe et inverse, d'un limiteur présentant un seuil de conduction

est visible sur la figure 4-12 et la figure 4-13, et indique une augmentation du

courant "avant seuil" (VDS<7 V) en polarisation directe. Le même constat peut

être fait en polarisation inverse pour des tensions, VDS, entre 0 et –1,5 V. La

nature de ce courant de seuil pourrait alors être un courant de fuite, ce type de

courant étant généralement activé thermiquement. Une fois le seuil franchi, le



136

courant dans le limiteur diminue avec l'augmentation de la température

ambiante et on retrouve un comportement attendu (du moins, obtenu en

simulation), c'est à dire, une conduction par majoritaire, n, du type

J(T)=qn(T)µn(T)E.

-5 -4 -3 -2 -1 010-6

1x10-5

1x10-4

10-3

10-2

250 °C

25 °C

Cou

rant

ID

S [A

]

Tension VDS [V]

25 °C 50 °C 75 °C 100 °C 125 °C 150 °C 175 °C 200 °C 225 °C 250 °C

figure 4-12 : Caractéristiques I(V)inverse d'un 'limiteur à seuil' àdifférentes températures defonctionnement (de 25 °C à 250 °C), VDS

variant de 0 à –5 V.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500

1x10-2

2x10-2

3x10-2

4x10-2

5x10-2

250 °C

25 °C

Cou

rant

ID

S [A

]

Tension VDS [V]

25 °C 50 °C 75 °C 100 °C 125 °C 150 °C 175 °C 200 °C 225 °C 250 °C

figure 4-13 : Caractéristiques I(V) directedu même limiteur (figure 4-12)àdifférentes températures defonctionnement (de 25 °C à 250 °C), VDS

variant de 0 à 50 V.

Dans le cas d'un limiteur sans seuil de conduction, le courant diminue

avec l'augmentation de température ambiante quelque soit VDS (positive ou

négative) (figure 4-14 et figure 4-15). On peut tout de même remarquer

l'aptitude du composant à fonctionner à température élevée (300 °C par

exemple) sans présenter de signes avant-coureur de sa destruction. En

admettant que le courant varie en fonction de la température

proportionnellement à µn(T)¥n(T), en prenant comme variation de la mobilité

une fonction du type T-B, et pour n, classique en exp(-E1/(kT)) il est alors

possible avec une courbe IDS(T) à VDS=50 V, par exemple, de vérifier cette

tendance. Le résultat est exposé sur la figure 4-16 et on obtient des valeurs de

E1 et B respectivement de 47 meV et 2, valeurs de l'ordre de grandeur de ce



137

que la littérature donne pour le niveau donneur de l'azote (cf. Chapitre 2) et

comme coefficient de variation de la mobilité (cf. Chapitre 2).

-5 -4 -3 -2 -1 010-4

10-3

10-2

300 °C

25 °C

Cour

ant

I DS [A

]

Tension VDS [V]

25 °C 50 °C 75 °C 100 °C 125 °C 150 °C 175 °C 200 °C 225 °C 250 °C 275 °C 300 °C

figure 4-14 : Caractéristiques I(V)inverse d'un 'limiteur sans seuil' àdifférentes températures defonctionnement (de 25 °C à 300 °C), VDS

variant de 0 à –5 V.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500

1x10-2

2x10-2

3x10-2

4x10-2

300 °C

25 °C

Cour

ant

I DS [A

]Tension VDS [V]

25 °C 50 °C 75 °C 100 °C 125 °C 150 °C 175 °C 200 °C 225 °C 250 °C 275 °C 300 °C

figure 4-15 : Caractéristiques I(V) directedu même limiteur (figure 4-14) àdifférentes températures defonctionnement (de 25 °C à 300 °C), VDS

variant de 0 à 50 V.

300 350 400 450 500 550 60020

25

30

35

40 IDS=A*(T/300)-B*exp-E1*q/kT

A=263 mAB=2,17E1=47,5 meV

Cour

ant

I DS [m

A] p

our V

DS=5

0V

Température [K]

figure 4-16 : IDS(T) à VDS=50 V extrait à partir de la figure 4-15. Approximation par unmodèle en (T/300)-B¥exp(-E1/kT) pour retrouver une tendance en µn(T)¥n(T).



138

2.2 Caractérisation électrique du quart CL'échantillon C n'a subi que le premier niveau de métallisation, soit 0,2

µm de nickel (recuit à 850 °C).

Les limiteurs de champs de centre de quart C se comportent

globalement de la même façon que leurs homologues du quart A. On retrouve le

même seuil de conduction et la même forme de caractéristique. Cependant nous

constatons également l'absence de courant en direct (courant de fuite) sur

beaucoup de limiteurs. La périphérie est le siège de caractéristiques sans seuil

mais l'allure des courbes obtenues par quelques motifs limiteur traduit un

fonctionnement plus en accord avec la conception.

La figure 4-17 montre les caractéristiques directes de quelques

limiteurs bloqués. Le courant direct étant alors un courant de fuite il est

possible de voir le claquage de la structure. Il apparaît une augmentation de la

tension de claquage, VBR avec la diminution de la largeur intercelullaire,

2×LINTER. Nous obtenons une tension de claquage de 80 V pour des écartements

de cellule de 6 et 8 µm, tandis que pour 4 µm, VBR atteint 300 V. Cette

information est à relier aux premiers 'claquages' observés sur le quart A à des

tensions identiques.

0 50 100 150 200 250 300 350 40010-12

10-11

1x10-10

1x10-9

1x10-8

1x10-7

1x10-6

VBR=80 V

VBR=300 V

Cou

rant

ID

S [m

A]

Tension VDS [V]

2LINTER=8 µm 2LINTER=6 µm 2LINTER=4 µm

figure 4-17 : Tensions de claquages de limiteurs bloqués. Dépendance de VBR enfonction de la largeur intercellulaire, 2¥LINTER.



139

0 10 20 30 40 500

10

20

30

40

50

60

70

Cou

rant

I DS

[m

A]

Tension VDS [V]

H0 H2 H3 H5 H8 H9

figure 4-18 : Echantillonnage de quelques caractéristiques électriques directes I(V) delimiteurs de types H0, H2, H3, H5, H8 et H9, de 0 V à 50 V, obtenues en bord de quart deplaquette (C).

Comme on peut le voir sur la figure 4-18, la pseudo-saturation

observée se produit pour des tensions proches de celles estimées par la

simulation. L'extraction de cette tension de saturation est plus aisée sur les

courbes de la figure 4-19. En effet, nous avons groupé sur cette figure des

caractéristiques I(V) où la saturation est clairement identifiable. Les tensions de

saturation estimées à partir de ces courbes expérimentales se situent entre 5 V

et 10 V (valeur visée : 7 V). Cependant, le courant de saturation obtenu figure

4-19 (inférieur à 1 mA) reste en dessous du domaine espéré (150 mA). Le RON

correspondant est également très différent et se situe entre 13 kΩ et 6 kΩ (30 Ω

visé). Pour ces caractéristiques à très faible niveau de courant, la puissance

dissipée est au mieux 50 mW, rendant ainsi plausible l'hypothèse d'une

température interne peu différente de l'ambiante (25 °C).



140

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Cou

rant

ID

S [m

A]

Tension VDS [V]

H0 H5 H6 H7 H9

figure 4-19 : Caractéristiques I(V) obtenues en périphérie de quart C et montrantclairement une saturation du courant pour des valeurs de tensions compatibles avec laconception.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

1

2

3

4

5

Cour

ant

I DS [

mA]

Tension VDS [V]

H8 H6

figure 4-20 : Caractéristiques I(V) de limiteurs H8 et H6 en périphérie de quart C.



141

2.3 Discussion des résultats obtenusL'analyse électrique des motifs de test présents sur les plaquettes ainsi

que des analyses physiques de type SIMS (Secondary Ion Mass Spectroscopy)

permettent d'isoler chaque composante technologique des limiteurs et

d'apporter des informations sur son mode de fonctionnement. Le suivi de la

réalisation des étapes technologiques introduit d'autres éléments d'analyse sur

l'architecture réelle des composants.

2.3.1 Motifs de tests électriques

Les tests électriques effectués ont été réalisés sur le quart C. La

disparition de la métallisation sur la plupart des motifs de test du quart A ne

nous a pas permis d'obtenir d'informations, si ce n'est sur la qualité de

l'adhésion de la métallisation sur le SiC.

2.3.1.1 Diode bipolaire

figure 4-21 : Schéma de la diode bipolaire de test. Nous avons représenté sa périphérieainsi que le début de l'émetteur.



142

Un motif de diode P+/NEPI permet de caractériser le comportement de

la diode interne du limiteur ainsi que l'efficacité de protection des anneaux de

garde. La figure 4-22 montre la caractéristique directe d'une diode du quart C,

son comportement est représentatif du quart C.

0,0 -0,2 -0,4 -0,6 -0,8 -1,0 -1,2 -1,4 -1,6 -1,8 -2,0 -2,2 -2,41E-10

1E-9

1E-8

1E-7

1E-6

1E-5

1E-4

1E-3

0,01

0,1

1

10

100

1000

n=1,16

dens

ité d

e co

uran

t [A/

cm²]

tension [V]

diode b3

figure 4-22 : Caractéristique J(V) directe de la diode interne des limiteurs (diode duchamp B3 du quart C).

Le comportement de cette diode 'bipolaire' se rapproche plutôt de ce

que l'on peut observer dans la famille des diodes Schottky sur SiC [Kimo'97].

Le début d'injection de porteurs se situe à 0,8 V (figure 4-22), le régime résistif

est atteint à 1,6 V où la densité de courant est d'environ 40 A.cm-2. A 2,4 V, la

densité de courant directe est de 180 A.cm-2. Sa tenue en tension est de 470 V

comme il est possible de le lire sur la figure 4-23.

La densité de courant inverse mesurée à 100 V est de l'ordre de 0,1

µA/cm2. La résistance série dynamique mesurée est de 4,5 mΩ.cm2 (8 Ω). Le

caractère Schottky de la diode interne laisse supposer que la gravure réalisée

pour la prise de contact sur le P+ a été trop profonde et, de ce fait, a conduit à

un contact Ni sur NEPI. Le troc d'une diode pn P+/NEPI contre une diode

schottky Ni/NEPI n'est pas rédhibitoire, à la vue de ses performances, pour le

fonctionnement du limiteur.



143

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 5001E-9

1E-8

1E-7

1E-6

1E-5

1E-4

1E-3

0,01

0,1

dens

ité d

e co

uran

t [A/

cm²]

tension [V]

diode b3

figure 4-23 : Caractéristique J(V) inverse de la diode interne des limiteurs. VBR=470 V(diode du champ b3 du quart C).

2.3.1.2 Résistance du contact Ni/N++ et de la couche NCANAL/P+.Des motifs TLM ont été prévus pour mesurer la résistance du contact

Ni/N++ ainsi que celle de la couche NCANAL/P+. Ces mesures correspondent au

quart C. Nous obtenons une résistance de contact Ni/N++ d'environ 3 mΩ.cm2

équivalent à ce qu'obtient [Naka'00] sur 6H avec un recuit de contact nickel

entre 800 et 900 °C (figure 4-24). La résistance carrée de la couche N++ est

estimée à 150 Ω/ ce qui très faible par rapport à la littérature (minimum 500

Ω/), l'incertitude sur la mesure est importante (~100 %) liée à la valeur élevée

de la résistance de contact.

Il est alors possible d'estimer la résistance de la couche NCANAL/P+ avec

le motif TLM associé. Seul un écartement de plots de 5µm permet d'obtenir un

comportement résistif et ainsi d'obtenir la résistance de la couche concernée.



144

Nous obtenons une résistance moyenne de 2 kΩ. Celle-ci varie beaucoup d'un

champ à l'autre et peut atteindre des valeurs indécentes qui supposent un canal

d'épaisseur très réduite, voire même sa disparition dans les cas où la conduction

est très faible à basse tension.

figure 4-24 : Représentation du quart C avec la résistance de contact Ni/N++ (en mΩΩΩΩ.cm2)

indiquée pour chaque champ.

plot nickel

N++NCANAL

P+

gravure

figure 4-25 : Représentation d'un détail du motif TLM pour le test de la résistivité de lacouche NCANAL/P+.

Les figure 4-26, figure 4-27 et figure 4-28 proposent une cartographie

de la résistance de canal mesurée ainsi que des caractéristiques I(V) typiques



145

des comportements rencontrés. Une zone indiquée par les champs grisés de la

figure 4-26 regroupe les régions où le canal n'est pas conducteur (ou très

résistif). Cependant la conduction s'amorce avec l'augmentation de la tension.

La symétrie de la structure conduit à une symétrie en tension. Deux hypothèses

sont alors plausibles : une conduction via la couche P+, ou, le claquage du canal

initialement 'obstrué' par zone de charge d'espace due au Vbi. La répartition de

cette zone semble suivre le bord de la plaquette originale. Cette remarque

cavalière mériterait des mesures complémentaires sur le quart A, ce qui est

délicat en l'absence de métallisation sur les motifs de test.

-4 -2 0 2 4-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

Cou

rant

[µA

]

Tension [V]

nca_5_b3_c.iv

figure 4-27 : Illustration de l'allure d'unecaractéristique I(V) dans le cas d'uneconduction dite 'bloquée'

figure 4-26 : Cartographie de larésistance en ohms de la régionNCANAL/P+ sur motif TLM du quart C(longueur : 5 µm, largeur : 100 µm). Unerégion de forte résistivité voire mêmede non conduction de cette couchesemble se dessiner et suivre le bordoriginal de la plaquette.

-1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

R=2470 ΩΩΩΩ

Cou

rant

[µA

]

Tension [V]

nca_5_a1_c.iv

figure 4-28 : Cas d'une conduction detype résistif.

L'évalution de la résistivité de la couche NCANAL/P+ (figure 4-26)

couplée aux mesures SIMS (cf §2.3.1.3) permet une extraction grossière de la



146

mobilité des électrons de cette couche. En supposant une section de passage du

courant, S, de 0,1¥100 µm2, une résistance moyenne de couche, R, de 1500 Ω,

un dopage moyen de 2¥1017 cm-3 (figure 4-32), on peut extraire µn par la

relation :1

nSRµ qnL

− =

,

soit µnª 100 cm2.V-1.s-1 (avec L=5 µm et n=2¥1017 cm-3). Cette valeur

est faible comparée à celle esperée en simulation (300-400 cm2.V-1.s-1).

2.3.1.3 Analyse SIMS – profils d'impuretéLes analyses SIMS (Secondary Ion Mass Spectroscopy) ont permis

d'obtenir les profils d'impuretés aluminium et azote présents effectivement dans

le SiC à la fin du processus de fabrication décrit précédemment. L'obtention des

profils d'aluminium des quarts A et C, respectivement tracés, figure 4-29 et

figure 4-30, en fonction de la profondeur permet d'obtenir une estimation de la

profondeur de gravure effectuée pour la prise de contact sur la zone P+.

Il apparaît clairement que ces gravures ont dépassé les pics

d'implantation d'aluminium et ont atteint la queue de canalisation. Des

profondeurs de gravure de quelques 0,6 µm pour le quart A et 0,4 µm pour le

quart C peuvent être déduites respectivement de la figure 4-29 et de la figure

4-30. De plus, une erreur sur le tilt (8° contre 0° prévu) et des rotations

différentes entre les quarts A et C expliquent les différences importantes sur les

profils d'implantations. L'écart entre le pic d'implantation obtenu en simulation

et celui du profil du quart C indique la quantité, en µm, de SiC-4H consommée

par le marquage du P+ et l'oxydation, en supposant que la configuration de

recuit utilisée ne soit pas responsable d'une quelconque gravure de la surface du

SiC. Le simulateur est calibré pour l'aluminium et l'azote, et permet d'obtenir

des résultats fiables en terme de profils d'impuretés.

La comparaison entre le profil simulé et le profil SIMS pour

l'aluminium conduit à une différence d'environ 0,13 µm. La figure 4-31 donne



147

un écart de 0,08 µm entre le profil d'azote simulé et le profil SIMS obtenu sur

le quart C. Il semble alors que 80 nm de SiC aient été consommés par

l'oxydation thermique (grille) et, environ 50 nm, par le marquage du P+ par

oxydation en début de process.

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,41016

1017

1018Simulation

SIMS Al avec gravure

SIMS Al sans gravure

Profondeur [µm]

Con

cent

ratio

n [c

m-3

]

B4A2 B4A3 B

figure 4-29 : Comparaison des profilsd'aluminium donnés par simulation etanalyses SIMS sur le quart A, avec ousans gravure de prise de contact sur lacouche P+.

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,41016

1017

1018simulation

SIMS Al avec gravure

SIMS Al sans gravure

Profondeur [µm]

Con

cent

ratio

n [c

m-3

]

figure 4-30 : Comparaison des profilsd'aluminium donnés par simulation (avecet sans décalage de 130 nm) et analysesSIMS sur le quart C, avec et sans gravurede prise de contact sur la couche P+.

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,501016

1017

1018

Con

cent

ratio

n [c

m-3

]

Distance [µm]

sims B2 (C) simul -80 nm profil par C(V) (a2_c) profil par C(V) (c3_c)

figure 4-31 : Comparaison des profils d'azote donnés par simulation, analyse SIMS etextraction via C(V) de la couche NCANAL seule.



148

Des mesures par C(V) ont permis d'obtenir une partie du profil de

dopants de type donneurs présents dans la couche NCANAL seule, c'est-à-dire,

sans la présence de la couche P+. La figure 4-31 situe les résultats de mesure

C(V) par rapport aux profils d'azote obtenus par simulation et par SIMS, et

renseigne sur l'efficacité du recuit sur l'activation de l'azote. En prenant le

profil SIMS comme référence, 80 % à 90 % de l'azote implanté est devenu un

dopant de type N [Laza'01]. L'activation de l'aluminium généralement obtenue

avec notre configuration de recuit est du même ordre, de 80 % à '100 %'

[Laza'01]. Le profil de dopage possible pour la couche NCANAL/P+ est proposé

sur la figure 4-32. Une approximation du profil de dopant dans le canal par un

niveau constant de 2¥1017 cm-3 sur 0,1 µm semble une simplification

raisonnable de la structure interne du quart C. Une incertitude persiste

cependant sur les premiers nanomètres de canal masqués par le transitoire de

surface, inhérent à l'analyse SIMS.

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

1016

1017

1018

P+

NC

ANAL

Con

cent

ratio

n [c

m-3

]

Profondeur [µm]

profil de dopage SIMS al SIMS azote NEPI

figure 4-32 : Profil de dopage en fonction de la profondeur extrait à partir des profilsSIMS et en tenant compte d'une activation de 100 % (quart C).



149

2.3.1.4 Charges à l'interface SiO2/NEPI et SiO2/NCANALLa caractérisation par C(V) de capacité MOS sur la couche NCANAL et

la couche épitaxiée a permis de déterminer le niveau moyen de dopage sous

l'oxyde. Il en résulte des valeurs moyennes de 4¥1015 cm-3 et d'environ 4¥1017

cm-3 pour, respectivement, les niveaux de dopage de l'épitaxie (3,8¥1015 cm-3

selon CREE research) et de la couche NCANAL. L'extraction des charges

présentes dans l'oxyde est également envisageable à partir des courbes C(V)

(figure 4-33, figure 4-34). Nous donnons ici une extraction grossière des

charges globales, Qeff, dues à l'oxyde et à l'interface SiO2/NEPI ou SiO2/NCANAL.

Se dégage tout de même une nette tendance : soit environ –1011 cm-2 pour la

dose de charges extraite de la capacité MOS sur NEPI contre les quelques –

1,5¥1012 cm-2 de son homologue sur la couche NCANAL. La couche d'oxyde sur

la couche NCANAL est obtenue sur une surface perturbée par le recuit post-

implantation alors que l'oxyde sur l'épitaxie croît sur une surface résultant de la

gravure de prise de contact sur le P+, soit 0,4 µm pour le quart C et 0,6 µm pour

le quart A. Il semble important de graver une couche de SiC après recuit post-

implantation. En effet, les 10 ou 20 premiers nanomètres de SiC après le recuit

post-implantation sont de qualité cristalline discutable [Morv'98] [Laza'00].

-15 -10 -5 0 50

10

20

30

40

50

60

70

eox=89 nmNox= -1 1011 cm-2

(Dit= 0)NEPI=4,1 1015 cm-3

Cap

acité

MO

S su

r NEP

I [p

F]

Tension de Grille [V]

champ A3

figure 4-33 : C(V) de capacité MOS surla couche NEPI (eOX=89 nm, NOX=-1011

cm-2 / NEPI=4,1¥1015 cm-3).

-15 -10 -5 0 5 10 1540

50

60 eox=87 nmNox= - 1,5 1012 cm-2

(Dit= 0 )NSUB=3,5 1017 cm-3

Cap

acité

MO

S su

r NC

ANAL

[pF]

Tension de Grille [V]

champ C3

figure 4-34 : C(V) de capacité MOS surla couche NCANAL (eOX=87 nm, NOX=-1,5¥1012 cm-2 / NCANAL=3,5¥1017 cm-3).



150

2.3.1.5 Observations au microscope optique et au MEBUne analyse visuelle au microscope optique des quarts de plaquette

avant et après recuit post-implantation a esquissé une remarque importante sur

la modification de l'état de surface du SiC. Les figures ci-dessous (de la figure

4-35 à la figure 4-38) sont des photographies prises avant (à gauche) et après (à

droite) le recuit 1700 °C/30 mn d'une même région d'un limiteur.

figure 4-35 : Photographie d'un détaild'un motif limiteur (H7) du champ C2 duquart C avant recuit 1700 °C/30 mn

figure 4-36 : Photographie d'un détaild'un motif limiteur (H7) du champ C2 duquart C après recuit 1700 °C/30 mn

figure 4-37 : Photographie d'un détaild'un motif limiteur (H4) du champ C1 duquart C avant recuit 1700 °C/30 mn

figure 4-38 : Photographie d'un détaild'un motif limiteur (H4) du champ C1 duquart C après recuit 1700 °C/30 mn



151

Avant Recuit, les régions implantées N++ sont marquées par un rendu

blanchâtre au microscope optique, par rapport au gris de l'implantation P+. Le

marquage du P+ est visible et situe ainsi les régions intercellulaires légèrement

en relief. Après recuit, la plaquette reprend son aspect d'origine (translucide) et

seul les régions implantées N++ restent identifiables grâce à un aspect de

surface grumeleux laissant présager une rugosité importante [Orto'01]. Sur la

figure 4-38, il est possible de voir même une disparition locale de ces marques

et on devine à la place une surface 'propre'. Il semble ainsi que cette aspect

'peau d'orange' soit symptomatique d'une couche de SiC de qualité très

différente du reste et sans doute amorphe. La disparition par micro-plaques de

cette couche est visible en périphérie de quart et est peut être due à un contexte

thermique différent avec le centre de quart pendant le recuit. La figure 4-39

montre un détail d'un limiteur vu par microscopie électronique à balayage

(MEB). La région choisie est le contact Ni/N++ entourant la gravure de prise de

contact sur P+, la couche de Ni semble "recopier" l'état de surface évoqué

précédemment et la gravure a également conservé l'état de surface observé. La

figure 4-40 est une photographie MEB prise sur un limiteur gravement touché

par une ablation locale de la couche de Ni.

figure 4-39 : Photographie MEB ducontact Ni/N++ et de la gravure de prisede contact P+.

figure 4-40 : Photographie MEB d'unlimiteur raté et permettant ainsi l'accèsvisuel sous la couche de Ni.



152

On devine ainsi la surface de l'oxyde et du SiC sous le nickel et, outre

un constat de désalignement marqué, la confirmation que l'aspect du N++ après

recuit est responsable de l'aspect crevassé de la couche de nickel réalisant le

contact Ni/N++. Il est difficile de savoir si cela nuit au fonctionnement du

composant. Des cas similaires ont déjà été évoqués [Orto'01] et ne semblent pas

pénaliser le dispositif.

2.3.2 Interprétations et hypothèses de fonctionnement

Ci-dessous sont résumées les informations données par les différentes

caractérisations menées:

Quart A et C:

Conduction avec ou sans seuil

Dépendance du courant direct en fonction de la largeur

intercellule

Pseudo claquage dépendant de la largeur intercellulaire

Indépendance vis-à-vis de la longueur de canal

Quart A:

Métallisation défectueuse sur le quart A

Quart C:

Dépendance de la tension de claquage en fonction de la largeur

intercellule

Résistance de contact Ni/N++ de 3 mΩ.cm2 sur le quart C

Consommation de 50 nm de SiC par le marquage du P+

Consommation de 80 nm ? de SiC par l'oxydation thermique

(épaisseur oxydeª90 nm)

Canal de 2¥1017 cm-3 sur 0,1 µm



153

Charge oxyde et interface SiO2/(NCANAL/P+) de l'ordre de 1,5-

2¥1012 cm-2

Diode Schottky à la place d'une diode pn

Le mode de conduction dans les limiteurs peut être discuté avec les

informations obtenues par la caractérisation électrique et par l'analyse SIMS.

Les cinq hypothèses directes sont exposées sur la figure 4-41 et explicitées ci-

dessous :

1. Conduction 'normale' via le canal, avec et sans seuil,

2. Claquage de la diode interne,

3. Claquage de l'oxyde thermique,

4. Claquage du NPN interne (ou amorçage du NPN),

5. Claquage en bord de P+, au niveau de l'intercellule.

figure 4-41 : Diverses hypothèses de conduction au sein des limiteurs.



154

2.3.2.1 Hypothèse 2 : diode interneLes caractérisations de la diode interne proposées au paragraphe

2.3.1.1 (page 141) montrent une bonne tenue en tension de celle-ci. Sa

contribution au courant à VDS<0 V est, par contre, certaine. La surface réservée

à cette diode est la même pour chaque type de limiteur. Sa participation au

courant inverse est donc identique pour tous les motifs (pas en densité de

courant).

0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,01015

1016

1017

1018

Profil de dopagepossible

Conc

entra

tion

[cm

-3]

Profondeur [µm]

Nepi SIMS Alu Simul N++ (-80nm) SIMS azote

figure 4-42 : Profil de dopage possible pour l'anode de la diode bipolaire. Concentrationde surface de 1017 cm-3 et une profondeur de jonction de 0,1 µm.

Son anode P+ est atrophiée comme on peut l'estimer d'après les

analyses SIMS (figure 4-42) et procure ainsi une possible explication de son

faible seuil de conduction (1 V) relativement à une pn classique sur SiC-4H

[Mitl'97] et de son faible courant de fuite, par rapport à une vraie Schottky

[Itoh'97]. Le résultat est une diode hybride (Schottky-pn) : plutôt Schottky en

direct et bipolaire en inverse. Une tentative de Schottky sur SiC-4H de type p

avec une implantation d'azote en surface a été réalisée [Khem'00], mais, compte

tenu des doses utilisées (3¥1014 cm-2 et 8¥1013 cm-2), la diode obtenue

ressemble plus à une diode bipolaire qu'à une Schottky (seuil de 1,5 V à 2 V).



155

2.3.2.2 Hypothèse 3 : Claquage de l'oxydeLes capacités MOS présentent un faible courant de fuite et tiennent la

tension. L'épaisseur d'oxyde est d'environ 90 nm. La tension de claquage

mesurée (oxyde + épitaxie) est d'environ 500 V, très semblable à celles

obtenues pour les diodes (environ 450 V). De plus, le claquage se produit en

périphérie, les motifs n'étant pas protégés.

2.3.2.3 Hypothèse 4 et 5 : NPN interneLes tests de caractérisation du NPN interne ont été effectués en

polarisant un plot des motifs TLM représentés sur la figure 4-25 par rapport à

la face arrière. Nous obtenons ainsi l'isolation du transistor NPN (N++/P+/NEPI)

concerné. Dans cette configuration, sa protection périphérique est une gravure

d'environ 1 µm. La figure 4-43 illustre ce qu'il est possible d'envisager comme

structure interne du transistor: un émetteur N++ de 0,2 µm, une base flottante P+

de 0,3 µm et un collecteur N (NEPI).

0,0 0,2 0,4 0,6

1016

1017

1018

1019

1020

P+

N++

Con

cent

ratio

n [c

m-3

]

Profondeur [µm]

profil de dopage SIMS al Simul N++ (-80 nm) SIMS azote NEPI

figure 4-43 : Profil de dopage possible sous l'azote forte dose (3¥1015 cm-2) utilisé pourle contact ohmique Ni/N++.



156

La figure 4-44 montre une caractéristique électrique I(V) sous VCE

négatif. Nous obtenons ainsi la tension de claquage en VCEO (polarisation sous

VCE base flottante) d'un transistor bipolaire dont l'émetteur est NEPI, et le

collecteur N++. Dans le cas de VCE positif (cas de polarisation directe des

limiteurs), nous mesurons le BVCEO d'un transistor bipolaire dont l'émetteur est

N++ et le collecteur NEPI. Les caractéristiques I(V) (figure 4-44 et figure 4-45)

donnent des tensions BVCEO de –6 V et de 300 V (claquage destructif à 550 V).

0 -2 -4 -6 -8 -100,00

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

BVCEO=6V

quart C

Cour

ant

I DS

[A]

Tension VDS [V]

figure 4-44 : Caractéristique I(V) inverse(au sens de VDS) du NPN interne

0 100 200 300 400 500 600

2,0x10-5

4,0x10-5

6,0x10-5

8,0x10-5

1,0x10-4

BVTH=550 V

BVCEO=300 V

Cou

rant

IDS

[A

]

Tension VDS [V]

figure 4-45 : Caractéristique I(V) directe(au sens de VDS) du NPN interne

La bonne tenue en tension de la jonction P+/NEPI permet d'écarter

l'hypothèse d'une conduction seule du limiteur par claquage en VCEO du

bipolaire parasite, ce qui ne signifie pas que son action puisse être écartée. Il

est envisageable que certains fonctionnements observés soient liés uniquement

au NPN parasite, notamment ceux montrant un seuil de conduction. Une vue

interne du limiteur présentée sur la figure 4-46 permet de situer le NPN interne

dans la structure du composant ainsi que la provenance des courant collecteur,

base et émetteur. Nous étudions alors différentes conditions d'amorçage du

NPN parasite.



157

P+

N++ N+

N

Source

N+

Drain

IC

IE IMIB

RB

ID

IS

RC

IB

figure 4-46 : Schéma de principe de l'amorçage du NPN parasite au sein du limiteur.

Conditions d'amorçage du NPN interne:

L'émetteur et la base son court-circuités, la mise en conduction ne peut

être que déclenchée par l'apparition d'un potentiel positif (par rapport à la

source) du à la circulation d'un courant de base, IB, dans la couche P+. Le

courant IB provient d'une injection de trous générés par la multiplication due à

l'ionisation par impacts dans la ZCE de la jonction P+/NEPI en inverse.

Le potentiel local dans la base s'écrit donc:

VB=RB¥IB

La résistivité de la base peut être estimée avec le profil SIMS, en

simplifiant on peut dire approcher la structure de la base par un dopage

uniforme de 1018 cm-3 sur 0,2 µm. ce qui conduit à:

ρΒ=(qpµp)-1=0,6 Ω.cm (avec µp=10 cm2.V-1.s-1, valeur pessimiste)

soit, pour atteindre VB=2 V, une densité de courant de:

JB=VB/(LB¥ρΒ)ª2000 A.cm-2 (LB=15 µm, longueur de base)



158

Cette valeur est beaucoup plus élevée que celles obtenues en

simulations (~1 A.cm-2 à VDS=600 V), et le domaine de tension concerné est

limité à 100 V pour la plupart des caractéristiques expérimentales.

Supposons maintenant une résistance de contact Ni/P+ importante, et

évaluons sa valeur avec une densité de courant de base d'amorçage de 1 A.cm-2,

soit.

RC=VB/JB-LB¥ρΒª2 Ω.cm2

Cette valeur est tout à fait possible d'autant plus que, d'après l'analyse

de la diode interne et des profils SIMS sur les zones gravées, le contact sur la

couche P+ serait essentiellement latéral, entre le nickel du flanc de gravure et

l'affleurement de P+. Cette hypothèse conduit à un amorçage du NPN parasite

sur toute la largeur de base puisque celle-ci sera entièrement à au moins +2V

par rapport à la source. Or, la largeur de base est la même pour tous les types de

limiteur, le courant obtenu devrait être, par conséquent, le même ce qui n'est

pas en accord avec les caractéristiques expérimentales obtenues.

2.3.2.4 Hypothèse 1 : conduction via le canalLes caractérisations électriques ont montré que la conduction pouvait

être liée à un fonctionnement classique du composant, c'est le cas des

caractéristiques de la figure 4-47 où aux conséquences d'un pseudo claquage

donnant les caractéristiques de la figure 4-48. Le passage d'une caractéristique

à l'autre peut être observé lorsqu'on monte en tension, c'est le cas du composant

dont une succession de trois mesures est présentée sur la figure 4-49. Une

hypothèse possible est un couplage entre une conduction rendue difficile par les

charges à l'interface SiO2/SiC et une variation de potentiel de la région P+ du

aux charges positives (les trous) introduits par multiplication (due au pic de

champ électrique).



159

Sur la figure 4-47, les caractéristiques sans seuil de conduction

témoignent d'un composant normalement passant mais le niveau de courant est

affecté par la densité de charges à l'interface SiO2/SiC (~1-2¥1012 cm-2), la

dose présente dans le canal étant du même ordre de grandeur. Suivant les

variations technologiques sur la plaquette (plus ou moins de charges à

l'interface SiO2/SiC et dose dans le canal variable), le composant peut conduire

à basse tension.

La saturation plus ou moins nette peut provenir du claquage progressif

de la ZCE du aux charges à l'interface SiO2/SiC, à une variation de potentiel du

caisson P+ ou à un effet de diminution de la longueur de canal par percement

local en fin de couche P+, ou par défauts d'alignement lors de la réalisation. La

succession de caractéristiques relevées sur la figure 4-49 semble illustrer ces

multiples composantes de l'ouverture forcée du canal, sans pourvoir les

dissocier.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Cou

rant

IDS

[mA

]

Tension VDS [V]

H0 H5 H6 H7 H9

figure 4-47 : Caractéristiquesclassiques : absence de seuil etsaturation visible.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

20

40

60

80

100

120

140

160

180 H4 H7 H0

Den

site

de

cour

ant

JD

S [A

/cm

²]

Tension VDS [V]

figure 4-48 : Caractéristiques montrantun seuil de conduction.



160

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

20

40

60

80

100

3

21

H7 (LINTER=6 µm)

Cou

rant

I D

S [mA

]

Tension VDS [V]

figure 4-49 : Succession de trois mesures effectuées sur le même composant (H7). Lapremière mesure (1) jusqu'à VDS=50 V, seconde mesure (2) pseudo calquage à 80 V, puistroisième mesure (3), mélange de caractéristiques de la figure 4-47 et de la figure 4-48.

La figure 4-50 synthétise plusieurs caractéristiques d'un même

composant limiteur normalement passant. La première mesure a été effectuée

avec la SMU Keithley 237 jusqu'à 100 V (tension continue), puis deux autres

on été successivement faites avec le traceur de caractéristiques Tektronix 370

(tension alternative redressée), la première jusqu'à 50 V et la seconde jusqu'à

200 V.

Le niveau de courant obtenu augmente avec l'historique des mesures :

mesure 1, 5 mA à 100 V, mesure 3, 9 mA à 100 V. Cette augmentation peut

être attribuée à une modification de la résistance de contact Ni/N++, celle-ci

s'améliore avec l'augmentation de l’intensité du courant la traversant.



161

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2000

2

4

6

8

10

H8, intercellule=4 µm

mesure keithley SMU

mesure tektro 1

mesure tektro 2

Cou

rant

[m

A]

Tension [V]

figure 4-50 : Succession de mesures effectuées sur un limiteur normalement passant detype H8 (intercellule=4 µm). Comparaison de mesures effectuées avec un traceur decaractéristiques Tektronix 370 (alternatif redressé) et la courbe obtenue avec la KeithleySMU 237 (continu).

Sur la figure 4-51, la seule caractéristique de ce type relevée sur un

limiteur de type H5 (longueur de canal=5 µm, intercellule= 4 µm) sur un champ

de bord de quart C. La caractéristique obtenue est effectuée point par point à

l'équilibre thermoélectrique.

On observe une faible résistance série spécifique de 15 mΩ.cm2 ainsi

qu'une densité de courant de saturation de 670 A.cm-2. La caractéristique

obtenue est au-delà des prévisions (250 A.cm-2) et est sans doute due à une

longueur de canal faible (<2 µm) conséquence de désalignements lors des

photolithogravures relatives à l'implantation N++ et à l'ouverture de l'oxyde.

L'incidence de l'augmentation de la température interne sur le courant est

visible.



162

0 10 20 30 40 50 60 70 800

100

200

300

400

RON=15 mΩ.cm2PJ*V=37 kW.cm-2

670 A.cm-2

180 A.cm-2

Destruction

mesure tektro 370

Cou

rant

ID

S [m

A]

Tension VDS [V]

figure 4-51 : Mesure avec le Tektro 370, Chaque point est relevé à l'équilibreélectrothermique pour des tensions variant de 0 à 78 V, la destruction du composant estobservée à 78 V et 470 A.cm-2 soit une puissance maximale de 37 kW.cm-2, ou, enalternatif redressé, une puissance moyenne de 19 kW.cm-2.

Le composant présenté sur la figure 4-51 est détruit après la mesure et

une puissance moyenne dissipée de presque 20 kW.cm-2. Cette mesure confirme

la capacité des composants en carbure de silicium à dissiper de fortes

puissances (10 kW.cm-2) tout en conservant leur fonctionnalité.

L'hypothèse d'un conduction par le canal semble être la plus probable.

Les obstacles conduisant à des caractéristiques diverses semblent être dus aux

charges à l'interface SiO2/SiC en densité suffisante pour bloquer ou moduler la

conduction du canal déjà réduit par rapport à l'épaisseur visée (0,1 µm à la

place de 0,15-0,2 µm pour 2¥1017 cm-3), une résistance de contact instable et

des aléas d'alignement de photolithogravures rendant la corrélation des résultats

expérimentaux avec les paramètres technologiques telle que la longueur de

canal impossible. Seul l'écartement entre les cellules a un impact sur le

comportement des composants limiteurs de courant que ce soit sur le niveau de

courant ou sur le champ électrique en fin de caisson P+. Il semble qu'un



163

espacement de 4 µm implique une intervention du JFET parasite, ce qui est à

rapprocher des résultats de simulations concernant l'impact de l'intercellule.

Les données expérimentales recueillies et leurs interprétations

permettent d'établir une série de corrections technologiques en vue de la

réalisation d'un second prototype avec le même jeu de masque.

3 Second "RUN"Les modifications retenues pour le second prototype sont :

1. Implantation P+ plus profonde avec une dose plus élevée. Elle était

de 350 keV / 4¥1013 cm-2 pour le premier prototype, elle est de 500

keV / 1014 cm-2 pour le second.

2. Diminution de la dose d'implantation pour la région N++. Elle était

de 3¥1015 cm-2 pour le premier, elle est de 9¥1014 cm-2 pour le

second.

3. Suppression de l'étape de marquage de la zone P+ par oxydation

sacrificielle.

4. Gravure "pleine plaque" de 40 nm après le recuit post-implantation.

5. Epaisseur d'oxyde réduite à ~50 nm.

Les mesures 1, 3 et 4 visent une augmentation de l'épaisseur de canal

par rapport au premier prototype et l’obtention de 0,2-0,25 µm. L'augmentation

de la profondeur d'implantation autorise une plus grande liberté dans le choix

de l'implantation du canal.

Les points 4 et 5 ont pour but de réduire la densité de charges à

l'interface SiO2/SiC. L'implantation du canal est sensiblement la même, les

doses correspondant aux faibles énergies sont légèrement augmentées. La

configuration d'implantation du canal est résumé dans le tableau ci-dessous :



164

RUN 1 RUN 2

180 keV / 5¥1012 cm-2

150 keV / 2,5¥1012 cm-2

120 keV / 2¥1012 cm-2

80 keV / 1,6¥1012 cm-2

50 keV / 1,2¥1012 cm-2

30 keV / 0,5¥1012 cm-2

180 keV / 5¥1012 cm-2

150 keV / 2,5¥1012 cm-2

120 keV / 2,5¥1012 cm-2

80 keV / 2,4¥1012 cm-2

50 keV / 2¥1012 cm-2

30 keV / 2¥1012 cm-2

La figure 4-52 propose la configuration de dopage évaluée par

simulation pour le second prototype, elle conduit à un canal de 0,2-0,25 µm

dopé à 2-2,5¥1017 cm-3 (en dose : 4-6¥1012 cm-2).

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,01016

1017

1018

1019

P+

NCANAL

Profil de dopage(Simulation)

Implantation Aluminium(Simulation)

Implantation Azote(Simulation)

Con

cent

ratio

n [c

m-3

]

Profondeur [µm]

figure 4-52 : Profils de dopage envisagés à partir de simulations d'implantations avec lelogiciel développé par E. Morvan [Morv'99], en tenant compte d'une gravure de 40 nm etd'une consommation de 25 nm de SiC par l'oxydation de grille (50 nm). Le canal prévu aune profondeur de 0,2-0,24 µm et un dopage de 2-2,5¥1017 cm-3.



165

3.1 Caractéristiques JDS(VDS)Les mesures des limiteurs (figure 4-53) montrent des caractéristiques

atteignant 800 A.cm-2 de courant de saturation pour les meilleurs composants.

Le contact Ni/N++ n'est pas recuit, les courbes présentent donc un seuil faible

de conduction (1-2 V) qui disparaît lors du recuit de métallisation.

0 10 20 30 400

100

200

300

400

500

600

700

800 intercellule=8 µm

J DS

[A/c

m2 ]

VDS [V]

H4 (LCANAL=4 µm) H7 (LCANAL=5 µm) H0 (LCANAL=6 µm)

(a)

0 10 20 30 400

100

200

300

400

500

600

700

800intercellule=6 µm

J DS [

A/c

m2 ]

VDS [V]

H3 (LCANAL=4 µm) H6 (LCANAL=5 µm) H9 (LCANAL=6 µm)

(b)

figure 4-53 : Caractéristiques JDS(VDS)pour des largeurs intercellulairesdifférentes : (a) 8 µm, (b), 6 µm et (c) 4µm. La longueur de canal, LCANAL,conditionne également lacaractéristique directe.

0 10 20 30 400

100

200

300

400

500

600

700

800intercellule=4 µm

J DS

[A/c

m2 ]

VDS [V]

H2 (LCANAL=4 µm) H5 (LCANAL=5 µm) h8 (LCANAL=6 µm)

(c)

L'effet d'une augmentation de la température dans le canal est visible

sur les caractéristiques atteignant des densités de courant élevée et l'on

distingue, un peu avant 30 V, une diminution du courant de saturation. La

figure 4-54 montre les densités de courant de saturation ainsi que les

résistances série spécifiques obtenues. Pour LCANAL=4 µm et LINTER=4 µm, on



166

obtient JDSSAT=800 A.cm-2 et RON-SPE=14 mΩ.cm2. Le recuit de métallisation

devrait améliorer les caractéristiques électriques.

4 5 6300

400

500

600

700

800

J DSS

AT

[A/c

m2 ] (

à V D

S=30

V)

LCANAL [µm]

LINTER=2 µm LINTER=3 µm LINTER=4 µm

4 5 610

20

30

40

50

RO

N-S

PE [

mΩ ΩΩΩ

.cm

2 ]LCANAL [µm]

LINTER=2 µm LINTER=3 µm LINTER=4 µm

figure 4-54 : Densité de courant de saturation (à VDS=30 V) et Résistance série spécifiquesuivant la longueur du canal. On remarque nettement l'effet de paramètre de conception(LCANAL et LINTER) sur le comportement du composant. La caractéristique correspondant àLCANAL=4 µm et LINTER=4 µm montre une densité de courant de saturation de 800 A.cm-2 etune résistance série spécifique de 14 mΩΩΩΩ.cm2.

0 10 20 30 400

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100 intercellule=8 µm

J DS

[A/c

m2 ]

VDS [V]

H4 (LCANAL=4 µm, LINTER=4 µm) Simulation ISE

figure 4-55 : Comparaison simulation / expérience. La mobilité des électrons dans lecanal obtenue expérimentalement est de l'ordre de grandeur de celle prise en simulation(sans charge à l'interface SiO2/SiC), soit environ 400 cm2.V-1.s-1.



167

Les mesures semblent être cohérentes (figure 4-55) avec une

simulation ISE utilisant les profils de dopage de la figure 4-52. Ce qui indique

une faible densité de charge à l'interface SiO2/SiC-4H et une excellente

mobilité des électrons dans le canal.

La figure 4-56 situe les performances obtenues par rapport aux autres

composants unipolaires publiés dans la littérature. En supposant une tenue en

tension de 600 V, les composants du second "run" se situent parmi les meilleurs

composants de type MOSFET obtenus sur SiC et ce sans commande de grille.

D’autres caractérisations permettront de sélectionner les meilleurs

composants, de les encapsuler et de les tester en phase de court-circuit réels.

102 103 10410-1

100

101

102

103

104

ΜΜΜΜ

ΜΜΜΜ

ΜΜΜΜ

ΜΜΜΜ

C

CC

SiC-4H

SiC-6H

Si

MOSFET Accu MOSFET JET IGBT 6H

ΜΜΜΜ power mosfet SiC coolmos Si

RUN 1 et RUN 2

RO

N-S

PE [

mΩ ΩΩΩ

.cm

2 ]

VBR [V]

figure 4-56 : Situation des limiteurs Accu-MOSFET en terme de résistance spécifique etde tenue en tension par rapport aux composants unipolaires interrupteurs de lalittérature.



168

Conclusion


169

CONCLUSION

Pour ce qui est du carbure de silicium, il semble que l'aventure

commerciale de la diode Schottky en SiC-4H proposée par Infineon est à suivre

et drainera peut être un marché porteur et avec lui un essor certain de la

technologie de composants sur carbure de silicium. L'avenir du carbure de

silicium passe sans doute par le développement de composants basiques

(Schottky par exemple) présentant des caractéristiques électriques autorisant un

gain important de performance dans les applications visées (convertisseurs). De

nouveaux composants peuvent également susciter un intérêt commercial.

L'étude proposée se situe dans un cadre de composant spécifique laissé vacant

par la filière silicium : un composant limiteur de courant adapté à la protection

série dommestique (réseau 220 V / 50 Hz). Les potentialités d'un tel composant

en carbure de silicium ont été étudiées ici. La conception d'un composant

répondant au cahier des charges a abouti à une définition de ses paramètres

technologiques assistée par le logiciel de simulation par éléments finis proposé

par ISE TCAD.

Un premier essai de fabrication avec le concours technologique du

CNM (Barcelone) a permis de réaliser des démonstrateurs. Les meilleures

caractéristiques électriques obtenues montrent une densité de courant de

saturation d'environ 200 A.cm-2 et une résistance série spécifique de 150

mΩ.cm2. Le concept proposé en simulation a été vérifié expérimentalement

avec cependant des performances moindres dues aux charges d'interface

Conclusion


170

SiO2/SiC (1-2¥1012 cm-2) amputant la conductivité d'un canal déjà affaibli par

les étapes technologiques précédentes. D'autres dérives sur la qualité du contact

Ni/N++, la gravure de prise de contact sur la région P+ et divers problèmes

d'alignement n'ont pas permis de corréler les paramètres de conception liés au

canal avec les performances électriques obtenues. Seul l'effet de la diminution

de la distance séparant deux cellules, se caractérisant par une diminution du

niveau de courant, a été observé, résultat prévu par la simulation.

Le premier essai a permis de "rôder" certains points technologiques et

de définir un ensemble de corrections envisagées pour la réalisation d'un

second prototype avec le même jeu de masques.

Les caractéristiques obtenues sur ces seconds composants limiteurs de

courant en SiC-4H montrent une densité de courant de saturation atteignant 800

A.cm-2 avec une résistance série spécifique de 14 mΩ.cm2. L'effet de la

longueur de canal et de la distance intercellulaire est facilement observable. Les

performances obtenues, proches de celles simulées, permettent d'estimer une

très bonne conductivité du canal et de faibles densités de charges à l'interface

SiO2/SiC. L'homogénéité des caractéristiques électriques sur la plaquette est

bonne. Le point délicat reste le recuit du contact Ni et sa compatibilité avec

l'oxyde de grille. La structure de la couche P+ est à améliorer vis-à-vis de la

tenue en tension, elle pourrait être complétée par l'ajout d'une couche P jouant

un rôle de poche. L'amélioration du contact sur P+ passe par une redéfinition

des étapes technologiques et des masques de photolithogravure.

Les prototypes de composants limiteurs de courant montrent des

comportements électriques les situant parmi les meilleurs représentants des

Accu-MOSFETs obtenus dans la littérature. La conception, la mise au point

technologique et la caractérisation électrique sont à poursuivre (pour la

Conclusion


171

protection péripériphérique, par exemple). Il reste un travail important sur la

mise au point d'un composant fiable, ce qui est un constat général de la maturité

actuelle de la filière SiC. Une étude de fiabilité thermique de composants

limiteurs SiC est à mener avec des reflexions sur leur encapsulation.

D'autres architectures de composants sont à étudier et à adapter aux

progrès de la technologie du SiC (progrès dépendants eux-mêmes des

composants visés).

Ce type de composant a sans doute un avenir dans certaines "niches"

économiques (spatial, par exemple), il est encore un peu précoce de prévoir une

utilisation prochaine de limiteurs de courant SiC dans les tableaux domestiques

de distribution électrique. Les fusibles ont encore de beaux jours devant eux

(faibles coûts et faibles résistances série) mais ceux-ci sont, dans certaines

applications, peut-être comptés.

Conclusion


172

Bibliographie


173

BIBLIOGRAPHIE

Publications personnelles

F. Nallet, D. Planson, P. Godignon, M.L. Locatelli, M. Lazar, J.P. Chante, "Experimental

Characterization of a 4H-SiC High Voltage Current Limiting Device", European Materials

Research Society Spring Meeting, E-MRS 2001, Strasbourg (France), June 5 - 8, Accepté pour

publication, 10 p.

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FOLIO ADMINISTRATIF

THESE SOUTENUE DEVANT L’INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE LYON

NOM : NALLET DATE de SOUTENANCE :13 Juin 2001

Prénoms : Franck

TITRE :Conception, Réalisation et Caractérisation d'un composant limiteur de courant en carbure de silicium.

NATURE : Doctorat Numéro d’ordre : 01 ISAL 0017

Formation Doctorale : Dispositifs de l'Electronique Intégrée

Cote B.I.U. – Lyon : / et bis CLASSE :

RESUME :La filière carbure de silicium pour la réalisation de composants de puissance semble être

prometteuse dans un avenir proche. Ses propriétés physiques en font un excellent candidat pour desapplications où se mêlent haute tension et haute température. Le sujet abordé dans cette thèse entreintégralement dans ce domaine en proposant l'étude d'un composant limiteur de courant en carbure desilicium. Ce dispositif est destiné à la protection des systèmes électriques contre les surintensités sur unréseau 50 Hz. La fonction demandée est de limiter le courant de surcharge sur une durée limitée et suffisantepour autoriser l'ouverture de la ligne par un organe disjoncteur dans des conditions propices. La conceptiond'un composant en SiC-4H répondant au cahier des charges (600 V / 50 A) a abouti à une définition desparamètres technologiques assistée par le logiciel de simulation par éléments finis développé par ISETM

TCAD. Un premier prototype, réalisé avec le concours du CNM (Barcelone), montre une densité de courantde saturation d'environ 200 A.cm-2 et une résistance série spécifique de 150 mΩ.cm2. Le concept proposé ensimulation a été vérifié expérimentalement. Le démonstrateur a permis de "rôder" certains pointstechnologiques et de définir un ensemble de corrections envisagées sur la réalisation d'un second prototype.Les prototypes suivant atteignent une densité de courant de saturation de 800 A.cm-2 avec une résistancesérie spécifique de 14 mΩ.cm2. Les seconds prototypes de composants limiteurs de courant en SiC-4Hréalisés se situent parmi les meilleurs représentants des Accu-MOSFETs obtenus dans la littérature.

MOTS-CLES : carbure de silicium, protection série, simulation électrothermique, MOSFET, composant depuissance, limiteur de courant, SiC-4H.

Laboratoire (s) de recherches : Centre de Génie Electrique de Lyon (CEGELY)

Directeur de thèse : Dominique PLANSON

Président du jury :

Composition du jury :D. PLANSON, J.P. CHANTE, J. MILLAN, F. MISEREY, A. LHORTE, B. REYMOND.