RECHERCHE

SiC pour llectronique de puissance du futurpar Franck NALLET*

Le carbure de silicium peut induire un renouveau de llectronique de puissance en autorisant des composants performants pouvant supplanter leurs homologues de la filire silicium, capables de remplir de nouvelles fonctions jusque-l inaccessibles.

1. Le carbure de silicium Aspects cristallographiques

Une des particularits du carbure de silicium (SiC)est la multiplicit de ses formes cristallographiques,appele polytypisme. Il existe environ170 polytypes rpertoris de SiC, tous ne sont pasutiliss pour des applications lectroniques. Les plusutiliss sont le 6H, le 4H (H pour hexagonal), le 3C (Cpour cubique) et le 15R (R pour rhombodrique).Cette nomenclature propose par Ramsdell identifiechaque polytype en juxtaposant le nombre de planscristallins compacts contenus dans une squence etle type cristallographique. Le polytypisme du SiCrsulte alors dun double choix dempilement dessphres (une sphre est la reprsentation simplifiedune liaison Si-C) dun plan compact lautre. Troispositionnements relatifs des plans entre eux sontpossibles et sont rfrencs arbitrairement par A, Bet C (figure 1).

Nota : la distance entre deux plans est de 2,52 .

* Docteur en gnie lectrique de lINSA de Lyon

SiA

analogie sphre-liaison Si-Ca Techniques de lIngnieur4 - 2002 RE 3 - 1

La dcoupe du matriau se fait au niveau de laliaison Si-C dune sphre ; il en rsulte deux facesdont les surfaces sont composes soit datomes desilicium, soit datomes de carbone. On parle de faceSi ou de face C.

Le seul polytype cubique rpertori est le SiC-3C(figure 2), appel aussi -SiC. Les directions cristal-lographiques sont, dans ce cas, repres dans lerfrentiel classique (trois axes). Dans le cas du 3C,la direction suivant laxe c celui de la liaison Si-C est .

Un changement de rfrentiel est commodmentutilis pour les autres types cristalographiques,gnriquement appels -SiC, et se compose dequatre axes : trois axes coplanaires (dans un plan desphre) et un axe orthogonal, laxe c. La notationclassique de Miller trois indices, , gagne unecomposante et on note les directions par avec . Cette notation quatreindices sert essentiellement viter de confondre lerepre cubique et le repre hexagonal et est majori-tairement utilise dans la littrature relative aux SiC-4H (figure 3) ou SiC-6H (figure 4).

Exemple : dans le cas du polytype 6H, la suc-cession de plans peut tre schmatise parABCACB/ABCACB/... . Pour le SiC-3C, on a ainsiABC/ABC/... .

hk

a4 a1 a2 a3+ +( )=

Arrangement ttradrique entre un atome de carbone et quatre atomes de silicium

SiSi

Si

Ca

Rfrentiel hexagonal

c

a3

a2

a1

Figure 1 Empilement des plans de sphres de liaison Si-C

Figure 2 Polytype SiC-3C suivant

B

C

positions relatives des plans de sphreb

0

2,52

5,04

7,56

10,08

12,60

15,12

Axe

c (

)

C

B

A

C

B

A

1

RECHERCHE

RE 3 - 2 Techniques de lIng

Les diffrentes structures cristallographiqduisent des proprits mcaniques sembldistinguo apparat clairement lorsque lon abproprits lectriques des diffrents polytypela ralisation de composants de puissance etendance actuelle dgage en priorit les phexagonaux, avec une nette prfrence pou4H.

Technologies de cristallogense

Pour synthtiser du SiC monocristallin, ilcarbone, du silicium et une temprature ltirage de lingots de SiC nest pas envisageabtir dune phase liquide (mthode de la filcium), cette phase ncessitant des temprpression prohibitives pour une fabricationtrielle. La mthode de cristallogense utilislement a t initie par les travaux de Lely la premire synthse de cristaux de SiCgrande puret. La mthode de croissance decristaux repose sur la sublimation de pouSiC porte 2 300 C. Les espces chimiquproduites sont Si, C, Si2C et SiC2 et forment riau SiC monocristallin en se condensantparois du racteur. Cette mthode a t apar Tairov et Tsvetkov [2] en proposant lition, dans le racteur, dun germe (morceamonocristallin) partir duquel crot la boul

(de mme structure que le germe). Cette mthode,dite mthode de Lely modifie (figure 5), est large-ment adopte et permet dobtenir des substrats dediamtres plus importants que ceux obtenus par lamthode Lely originelle. Le seul inconvnient detaille de la mthode de Lely modifie est la pr-sence de dfauts structuraux dans le monocristal.Certains, appels micropores, se caractrisent pardes microtubes (absence de matire) traversant depart en part le substrat. On les surnomme tueursde composant car ils empchent tout fonctionne-ment de ceux-ci. Les accompagne tout un cortgedautres dislocations, cependant moins rd-hibitoires que les micropores.

Figure 3 Polytype SiC-4H suivant

Figure 4 Polytype SiC-6H suivant

0

2,52

5,04

7,56

10,08

12,60

20,16

15,12

17,64A

xe c

(

)

C

B

B

A

C

B

B

A

2

0

2,52

5,04

7,56

10,08

12,60

20,16

15,12

17,64

Axe

c (

)

A

B

B

C

C

A

B

A

2

CVD : chemical vapordepositionHTCVD : high tempe-rature chemical vapordeposition

Donnes conomiquesLa ralisation de monocristaux de SiC moin-

dre cot est la proccupation majeure de la filireSiC. Les substrats commercialement disponiblessont principalement vendus par la socit amri-caine Cree Research Inc. (figure 6). Les autresproducteurs de substrats consacrent leur produc-tion un usage personnel . Les pays sinves-tissant dans la synthse de SiC et ledveloppement dune vritable filire SiC sontnaturellement les pays les plus avancs technolo-giquement et conomiquement : les tats-Unisavec la NASA, larme appuys par CreeResearch, Northrop Grumman et les universitsde Pittsburgh et de Caroline du Nord ; lAllema-gne avec Daimler-Benz, Siemens et luniversitde Erlangen-Nnberg ; la Sude avec ABB etluniversit de Linkping ; la France avec Thom-son-LCR, le LETI-CEA. Le diamtre maximal dessubstrats commercialement disponibles est de75 mm (3 pouces) chez Cree Research et SterlingSemiconductor.4 - 2002nieur

ues con-ables, leorde less : pourn SiC, laolytypesr le SiC-

faut dueve. Lele par-ire sili-ature et indus-

e actuel-[1] avec-6H des mono-dre dees alors

le mat- sur lesmliorentroduc-u de SiCe de SiC

Homopitaxie

La technique de dpt chimique en phasevapeur (CVD) est la plus utilise pour lhomopitaxiesur SiC (figure 7), en utilisant une mthode de crois-sance par avance de marches (step-controlled epi-taxy) initie par Kuroda et Matsunami en 1987 [4](figure 8). Lenceinte est constitue dun tube enquartz entour de spires inductives dans lequel estdispose la plaquette pitaxier, place sur un sus-cepteur. Le carbone et le silicium sont introduits, viaun flux dhydrogne (gaz porteur), sous forme deSiH4, C3H8 ou CH4. La croissance seffectue unetemprature de 1 400 C 1 600 C.

La technique de croissance par marches permet unbon contrle du type de plan (A, B ou C) dpos etdobtenir une couche pitaxie sans inclusions depolytypes parasites. La vitesse de croissance est de 2 5 m/h. Une dsorientation du cristal (par rapport ) est recommande pour obtenir une cou-che de bonne qualit cristalline [5] et une vitesse decroissance importante. Les angles utiliss sont 8pour le 4H et 3,5 pour le 6H. De nouvelles avancestechnologiques utilisant des architectures verticales parois chaudes permettent datteindre des vitessesde croissance denviron 50 m/h. La mthode dedpt chimique en phase vapeur haute tem-prature (HTCVD) semble la meilleure pour obtenirdes pitaxies paisses, avec des vitesses de crois-

RECHERCHE

Figure 5 Principe de la mthode Lely modifie et architecture du racteur associ

CouvercleIsolation

Induction radiofrquences

Germe de SiCmonocristallin(Lely)

Poudre de SiC

Creuset

Gra

ph

ite

TransportSi2C Si

SiC2

Dpt

T1

T2

T 2 >

T1

Cristal

Source

Sublimation

1992 1993 1995 1997 199919961994 1998 2000

25

50

75

100

125

Dia

mt

re d

e m

icro

po

re (

mm

)

1993 1995 1997 199919961994 1998 20000,1

1

10

100

1 000

Den

sit

de

mic

rop

ore

s (c

m2

)

100

75

100

75

50

3530

25

25 mm25 mm

30 mm30 mm

35 mm35 mm

50 mm50 mm

35 mm35 mm

25 mm

30 mm

35 mm

50 mm

35 mm

ProductionProduction

R&D

Dans les Techniques de lIngnieur :Matriaux semi-conduc-teurs grand gap : SiC [E 1 990] de J. Camassel, S. Contreras et J.-L. Robert. Techniques de lIngnieur4 - 2002 RE 3 - 3

sance leves (500 m/h) et de qualit comparableaux couches obtenues par la technique CVD [6].

HtropitaxieLa croissance de SiC-3C sur Si a t initie par

Matsunami en 1980 [7] et permet de bnficier de

substrats de 3C, difficiles obtenir par croissanceclassique. La diffrence de paramtre de maille(20 %) et de coefficient de dilatation (8 %) font delinterface SiC-3C/Si un lieu propice au dveloppe-ment de dfauts structuraux.

Figure 6 Production R & D et commerciale de substrats SiC par Cree (daprs [3])

Figure 7 Homopitaxie CVD

SiH4

CH4 C3H8

H2

Induction RF

Tube enquartz

Suscepteuret substrat

Epigresshttp://www.epigress.comPurdue Wide BandGap Researchhttp://www.ecn.purdue.edu/WBGUniversit de Linkping (Sude)http://www.ifm.liu.se/MatephysUniversit de Kyoto(Japon)http://matsunami.kuee.kyoto-u.ac.jp/~syu-naka/English/Polytype.html

Figure 8 Technique de croissance par avance de marches

CC C B

A

C

B

A

Unique possibilit au niveau

de la marcheDeux positions

possibles

Surface

RECHERCHE

RE 3 - 4 Techniques de lIng

Dautres htrostructures mergent, constituesdun empilement SiC/SiO2/Si appel SICOI [8] ouSIMOX [9]. Leur intrt premier est lobtention deplaquettes de grande taille moindre cot, ventuel-lement exploitables par une filire circuit intgrCMOS. Leur utilisation pour des composants discretsde puissance reste prouver et serait une alternativeintressante pour lobtention dun matriau de base moindre cot pour des substrats de large diamtre.

2. Technologie des composants

Dopage

Dopage in situ

Lincorporation de dopants tels que lazote, lalumi-nium ou le bore est possible durant la phase dlabo-ration du matriau (croissance du substrat et despitaxies). Elle permet dobtenir une couche dopedpaisseur et de niveau de dopage maintenant fia-bles. Le contrle du type et du niveau de dopagedans la couche pitaxie se fait en ajoutant limpu-ret dopante sous forme de gaz dans lenceinte pen-dant la croissance. Lapport dazote (N2) permetdobtenir le type N ; le type P est obtenu avec le bore(B2H6) ou laluminium (Al(C2H5)3). Le niveau dincor-poration des impurets au cristal est contrl par lerapport Si/C de croissance, physiquement expliqupar comptition de site. Laluminium sintgre lamatrice en remplaant le silicium. Lazote, lui, sesMOSFET : metal oxide semiconductor field effecttransistorubstitue principalement latome de car-bone. Le niveau de dopage rsiduel (gnralementde type P) est denviron 1013 1014 cm3, la concen-tration contrle est de 1015 1019 cm 3.

Dopage localis par implantation ion

Lobtention de couches dopes par diffutrs difficile dans SiC. Les coefficients de des impurets dopantes sont trs faibles etrent des tempratures et des dures dissLutilisation de limplantation ionique est alopensable.

Limplantation ionique est la technique cholobtention de dopages localiss. Les impurplus utilises sont laluminium et le bore poule type P, lazote et rcemment le phosphoretype N. Le principal inconvnient est, faute sion possible, le domaine rduit des profode dopage possibles. En effet, lordre de gde la pntration datomes daluminium dan1 nm/keV :

= Rp /E

avec (nm/keV)la pntration datomes,

Rp (nm) la position du maximumdistribution datomes dans

E (keV) lnergie dimplantation.

Pour obtenir une profondeur dimplantation dalu-minium de 1 m, il faut une nergie dimplantationde lordre de 1 MeV. Par consquent, il est difficiletechniquement dobtenir des jonctions profondes(> 1 m) avec les implanteurs classiques utilisspar la filire silicium (typiquement, lnergie maxi-male disponible est de 200 keV). La profondeur depntration est directement lie la masse du pro-jectile (limpuret) et la masse volumique du mat-riau cible (pour le SiC, = 3,21 g cm3).

Latome de bore, plus petit que celui daluminium,pntre environ 2 nm/keV, lazote quelque1,5 nm/keV. Pour implanter profondment, il fautsoit implanter haute nergie, soit tirer inten-tionnellement selon une direction cristallographiqueprivilgie suivant laquelle la disposition les atomesde silicium et de carbone cre des canaux [10].

Un autre inconvnient est lendommagement dumatriau par limplantation se traduisant par desmodifications locales de la stchiomtrie du SiC etlaltration de sa structure cristalline. Une tape derecuit haute temprature est alors ncessaire pourrecristalliser le mieux possible le matriau et permet-tre aux impurets implantes de migrer vers un sitecristallin adquat pour devenir vritablement desdopants.

Niveaux donneurs et accepteurs

Les impurets azote et phosphore ont un niveaudonneur proche de la bande de conduction et per-mettent dobtenir une concentration dlectrons 300 K slevant environ 50 % du niveau de dopage,ND. Pour le type P, les niveaux sont relativement pro-fonds (~200 meV pour Al et ~300 meV pour B) et

Dans les Techniques de lIngnieur : Technologie silicium sur isolant : SOI [E 2 380] de S. Cristoloveanu et F. Balestra

CMOS : complemen-tary metal oxide semiconductor

MOSFET : metal oxidesemiconductor fieldeffect transistor4 - 2002nieur

ique

sion estdiffusion requi-uasives.rs indis-

isie pourets lesr obtenir pour le

de diffu-ndeursrandeur

s SiC est

de la SiC,

sont responsables dune concentration de trous 300 K denviron 5 % du niveau de dopage, NA. Lesvaleurs des niveaux dnergie dpendent du site,cubique ou hexagonal, occup par limpuret. Lalu-minium et le bore donnent des niveaux plus profondsrespectivement dans le SiC-4H et le SiC-6H. Lalumi-nium est responsable dun niveau profond situ 570 meV (par rapport au niveau dnergie de labande de valence Ev), attribu un centre I, dans leSiC-4H. Le bore introduit un niveau dnergie attri-bu un complexe, dit centre D, de 580 meV (parrapport Ev) dans le SiC-6H.

Oxydes et isolants

Un des atouts majeurs de la filire silicium estloxyde de silicium SiO2. Il est relativement facile faire crotre et prsente de bonnes proprits lectri-ques (champ lectrique de claquage ~13 MV cm1

pour un oxyde thermique). Cet avantage existe aussipour la technologie du SiC mais le mariage SiC/SiO2 nest pour linstant pas acquis, peut-tre per-turb par le carbone. Lobtention dune bonne inter-face SiC/SiO2 ouvre la voie la technologie MOSFETet est galement indispensable la passivation detout composant de puissance.

RECHERCHE

(0)

Oxydes thermiquesLoxydation de SiC rsulte dune raction avec

loxygne sous la forme O2 (oxydation sche) ou H2O(oxydation humide). Lpaisseur de SiC consommepar oxydation est 45 % de lpaisseur de SiO2 obte-nue [11]. La cintique de croissance diffre suivant letype doxydation. Elle est denviron 5 nm/h quelque

influe directement sur la mobilit des couchesdinversion dans les structures MOSFET canal N.Les polytypes 6H et 15R sont de bons candidats pourles MOSFET, les mobilits effectives eff des lectronsdans le canal obtenues exprimentalement sont res-pectivement environ 40 et 60 cm2 V1 s1. Le 4Hest le mauvais lve et nobtient quenviron5 cm2 V1 s1 [14]. Cette diffrence peut treattribue la distribution des tats dinterface, Dit,propose sur la figure 9. Dautres phnomnes alt-reraient le transport des lectrons dans le canaldinversion des N-MOSFET, certains prnent des dis-continuits de la couche dinversion dues des fluc-tuations de potentiel [15] [16], dautres cherchentde nouvelles orientations cristallines. Des investiga-tions sur le plan (11-20) ont conduit une amliora-tion spectaculaire de la mobilit du canal sur le 4H etle 6H [17] (eff = 30 cm2 V1 s1 pour le 4H eteff = 70 cm2 V1 s1 pour le 6H). Les amliora-tions de linterface SiO2/SiC travers une optimisa-tion des conditions doxydation sont les cls desstructures MOS sur SiC.

Autres isolants

La recherche disolants adapts au SiC autres queSiO2 est en cours, que ce soit pour des isolants degrille ou de passivation (tableau 1).

Outre SiO2, AlN prsente des caractristiques int-ressantes avec un champ de claquage E de 6

Tableau 1 Caractristiques disolants

Isolants 4H/6H 3C SiO2 AlN Al2O3 Si3N4 Ta2O5 TiO2Ebr (MV cm

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

r 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

Figure 9 Distribution de la densit de charge linterface SiC/SiO2 sur type P (daprs [14])

1012 1013

E

Ec

Ev

Dit (eV1 cm2)

Oxydationhumide

Oxydationsche

4H

6H

15R

SiO2 SiC

Do

nn

eur

Acc

epte

ur

Pi

ge

pr

s d

e l'i

nte

rfac

e

Ev (eV) : niveau dnergie de la bande de valenceEc (eV) : niveau dnergie de la bande de conduction

Ebr (V cm1) : champ

de claquageEg (eV) : gap, bande dnergies interdites Techniques de lIngnieur4 - 2002 RE 3 - 5

1 000 C en oxydation humide et de 15 nm/h enoxydation sche. La vitesse de croissance varie ga-lement suivant la face (Si ou C) et suivant le plancristallin de surface de SiC. Lapplication la crois-sance doxyde de passivation nest pas envisageablecompte tenu des performances affiches, une solu-tion travers des oxydes dposs est alors prfra-ble. Le champ lectrique de claquage des oxydesthermiques sur SiC est denviron 10 MV cm1 300 K et 6 MV cm1 600 K [12].

L esprance de vie dun oxyde soumis 5 MV cm1 est de 10 ans 25 C, elle passe 1 000 s 350 C [13], ce qui peut tre handicapantpour des applications haute temprature et hautetension.

Les oxydes obtenus sur SiC sont actuellementsource de charge fixe importante : la charge fixe glo-bale Qeff (cm

2), et linterface SiO2/SiC, la densitde charge Dit (eV

1 cm2).Le type de conductivit du substrat (N ou P) intro-

duit des diffrences notables. Les oxydes raliss surtype N prsentent de faibles densits de charge linterface, de lordre de 1011 1012 eV1 cm2 ;sur le type P, on obtient gnralement 1012 1013 eV1 cm2. Les valeurs obtenues pour Qeff etDit sont souvent du mme ordre de grandeur. Lacharge fixe globale, Qeff, est gnralement ngativesur type N et positive sur type P. Linterface SiO2/SiC

br15 MV cm1 et surtout une permittivit dilectriquedu mme ordre que celle de SiC. Dans le silicium, lechamp de claquage est denviron 0,2 MV cm1, SiO2est soumis au maximum environ 0,2 12/4 = 0,6 MV cm1 avec la loi de passage linterface :

1E1 = 2E2

avec

E la composante du champ lectriqueperpendiculaire linterface desmatriaux 1 et 2.

Le champ de claquage de SiC est denviron2 MV cm1, soit un champ lectrique dans loxydedenviron 5 MV cm1, crant ainsi un stress impor-tant des oxydes de grille des MOSFET de puissance.AlN semble ainsi bien plac (r = 8,5) pour se substi-tuer SiO2 [18] et prsente galement un faibledsaccord de maille (1 %) avec SiC.

Mtallisation et contacts Contacts ohmiques

Les mtaux les plus utiliss sont le nickel sur SiCde type N, laluminium et le titane sur type P. Lesrsistances spcifiques de contact obtenues sontdenviron 106 105 cm2 avec le nickel sur SiC-6H de type N [19]. Pour le type P, on obtient 105

RECHERCHE

RE 3 - 6 Techniques de lIng

104 cm2 avec laluminium ou le titane [20]. Latemprature de recuit du contact est denviron1 000 C pendant 1 2 min.

Contacts Schottky

La ralisation de contacts Schottky sur SiC requiertles mmes mtaux que pour les contacts ohmiques,la seule diffrence est le niveau de dopage de surfacerequis, beaucoup plus bas (< 1017 cm3). Le nickelet le titane [21] semblent adapts la ralisation decontacts Schottky sur type N, leur hauteur debarrire par rapport au SiC-4H est respectivement1,6 eV et 1 eV ; cela permet de bonnes caractristi-ques lectriques du contact redresseur.

Gravure

La gravure du SiC est actuellement indispensablepour la ralisation de MESFET, de thyristor ou deMOSFET en tranche . La gravure du SiC estgnralement faite par raction du SiC avec unplasma. Cette raction est la fois physique etchimique : un gaz dune espce choisie est excitjusqu formation dun plasma (ensemble de particu-les charges), une polarisation adquate permetdacclrer les particules charges vers la cible.

Il y a deux actions possibles : soit arrachage phy-sique de particules de la cible d des chocs avecdes ions acclrs du plasma, soit raction chimiqueentre les espces du gaz et le matriau attaquer.Cest leffet utilis pour la gravure du SiC. Le gaz uti-lis pour former le plasma est alors compos de SF6et de O2. SF6 ragit avec Si et O2 ragit avec C [22].On utilise aussi le couple NF3, CHF3. La vitesse degravure obtenue dans un racteur de type RIE estdenviron 100 nm/min. La gravure localise ncessiteun masquage des zones pargner laide dunmatriau de slectivit ad hoc (VgravureSiC/Vgravure-masque).

3. Composants de puissanceraliss

La qualit du matriau samliorant et le diamtredes plaquettes vendues augmentant, le nombre decomposants de puissance raliss sur carbure de sili-cium par diverses quipes augmente, ainsi que ladiversit des composants. On note ainsi dans la lit-trature [23] des caractrisations de diodes pn,Schottky, JBS (hybride pn/Schottky) et Zener, deMOSFET de puissance, de MESFET, de thyristors etdIGBT. Larrive sur le march (avril 2001) de diodesSchottky SiC (300 V/10 A et 600 V/4-6 A), par lasocit Infineon, annonce un essor industriel impor-tant de la filire SiC.

Potentialits du SiCEn quoi le SiC est-il intressant par rapport au

silicium ? On peut se demander comment un mat-riau dlicat matriser peut obtenir une maturit suf-fisante pour inquiter la filire silicium.

Le tableau 2 rsume les principales propritslectriques de quelques matriaux semi-conducteurs 300 K et pour un dopage de 1015 1016 cm3. Pourdes applications de puissance, les proprits deman-des sont lies aux aspects de temprature, tenue entension et faible rsistivit, et requirent ainsi desmatriaux large bande interdite (> 3 eV, donc fai-ble densit de porteurs intrinsques haute temp-rature), bonne conductivit thermique, fort champlectrique de claquage et bonne mobilit des por-teurs.

Diffrents auteurs ont propos des facteurs demrite pour pouvoir classer les matriaux suivant letype de performance souhaite (frquence, tempra-ture, puissance). Les quatre facteurs les plus utilissen lectronique de puissance sont regroups dans letableau 3. La figure 10 montre leur utilisation pour

IGBT : insulated gatebipolar transistorJBS : junction barrierSchottkyMESFET : metal semi-conductor field effecttransistor

Dans les Techniques de lIngnieur :lectronique de puissance : introduction [E 3 958] et Compo-sants pour llectroni-que de puissance [E 3 960] de F. Bernot

ni (cm3) : concentra-

tion de porteurs (lec-trons) intrinsques dans le semi-conducteur une temprature don-ne n (cm2 V1 s1) : mobilit des porteurs (lectrons) sat (cm s1) : vitesse de saturation des lec-trons acclrs par champ lectrique dans un semi-conducteur (W cm1 K1) : conductivit thermique

Tableau 2 Proprits le

MatriauEg

(eV)ni

(cm3)r (cm

Si 1,1 1,5 1010 11,8Ge 0,66 2,4 1013 16,0

GaAs 1,4 1,8 106 12,8GaN 2,3 7,7 101 11,1

GaN-3C 3,27 8 109 9,9GaN-2H 3,39 1,9 10

109,0

SiC-3C 2,2 6,9 9,6SiC-4H 3,26 8,2 109 10 6

7SiC-6H 3,0 2,3 106 9,7 3

5Diamant 5,45 1,6 10

275,5

BN 6,0 1,5 1031

7,1

AlN 6,1 ~1031 8,7(1) Dopage de 1015 1016 cm3

(2) D : direct ; I : indirect4 - 2002nieur

comparer diffrents semi-conducteurs.

ctriques de semi-conducteurs 300 K (1)

n2 V1 s1)

Ebr(MV/cm)

sat(107 cm s1)

(W cm1 K1)

Gap (2)

1 350 0,2 1,0 1,5 I3 900 0,1 0,5 0,6 I8 500 0,4 2,0 0,5 D350 1,3 1,4 0,8 I

1 000 1 2,5 1,3 D900 3,3 2,5 1,3 D

900 1,2 2,0 4,5 I00 (c) 2,0 2,0 4,5 I50 (||c)70 (c) 2,4 2,0 4,5 I0 (||c)1 900 5,6 2,7 20 I

5 10 1,0 13 I

1 100 11,7 1,8 2,5 D

RECHERCHE

sur le march de diodes Schottky en SiC par Infineonou Microsemi montre la maturit de cette filire etson intrt rel pour llectronique de puissancepuisque les calibres en courant et tension proposssinscrivent dans le domaine de la moyenne tension(300 V et 600 V pour respectivement 10 A et 3 A :prix 1 $ lampre) pour la conversion dnergie.Elles sont sans conteste meilleures que leurs quiva-lents en technologie bipolaire silicium car elles neprsentent pas de surcourant inverse la commuta-tion passante/bloque et diminuent ainsi les pertespar effet Joule globales du systme o elles oprent.

Diode bipolaire

Les diodes bipolaires sur SiC ont linconvnientdavoir un seuil de conduction (Vb 2 V) important,d la largeur leve de la bande interdite. Ellessont, de ce point de vue, moins performantes endirect que les diodes silicium ( tenue en tensionidentique). Cette diffrence nexiste plus lorsque ladensit de courant direct augmente, les deux types

Tableau 3 Facteurs de mrite

Facteurs de mrite Aptitudes Applications Rf.

Johnson factor of merit Haute frquencePuissance

Interrupteur moyenne puissance

[24]

Keyes factor of merit ThermiqueHaute frquence

Circuits intgrs [25]

Baliga factor of merit Minimisation des pertes en conduction

Interrupteur de puissance haute tension (FET de puissance)

[26]

Baliga high frequencies factor of merit

Minimisation des pertes en commutation

[27]

JFMECsat

2----------------- 2

=

KFM csat4r-------------=

BFM rEG3=

BHFFM EC2=

10

101

104

1

10

102

103

104

103102

101 1101

JFM

KFM

AIN

Dia

man

t

BN

SiC

-3C

Gap

GaA

sS

i Ge

GaN

-2H

GaN

-3C

SiC

-6H

SiC

-4H

AIN

Dia

man

t

BN

SiC

-3C

GaP

GaA

sS

i Ge

GaN

-2H

GaN

-3C

SiC

-6H

SiC

-4H

BFM BHFFM Techniques de lIngnieur4 - 2002 RE 3 - 7

SiC (sous la forme de 4H et de 6H) devance ais-ment SiC-3C, GaP, GaAs, Si et Ge. Son concurrentdirect est GaN (2H et 3C) qui est cependant pnalispar sa conductivit thermique plus faible. Lesmeilleurs candidats sont le diamant, le nitrure debore (BN) et le nitrure daluminium (AlN), qui ontcependant le handicap majeur dtre difficiles syn-thtiser. Lobtention de composants de puissance surces matriaux reste pour linstant de la science-fic-tion. SiC est, dans ltat de lart actuel (dmon-stra-teurs raliss et substrats disponiblescommercialement), le matriau le mieux plac pourllectronique de puissance.

Diode SchottkyLa diode Schottky est un bon dmonstrateur de la

qualit des couches pitaxies en terme de tenue entension et de rsistance srie spcifique. Les tenuesen tension atteintes (~4 000 V [28]) de diodesSchottky sur SiC (essentiellement 4H type N ;mtallisation : nickel) sont sans quivalent dans latechnologie Schottky sur silicium (200 V maximum).Les courants de fuite et les rsistances srie sont fai-bles (~1 10 A cm2 et 5 30 m cm2). La mise

de redresseurs sont alors tout fait comparables. Ladure de vie des porteurs minoritaires tant faible, lamodulation de la couche rsistive nest importanteque dans le silicium. Cependant, cet inconvnient(50 ns en rgime de forte injection) se traduit pardexcellentes performances en commutation des dio-des pn SiC : temps de recouvrement inverse, t, delordre de 30 ns pour une diode 4 500 V [29] lorsdune commutation sous 17 A (800 A cm2)/1 000 V di /dt = 500 A/s. Le domaine de prdilec-tion de la diode pn SiC est la trs haute tension et sacapacit travailler haute temprature. CreeResearch annonce en 2001 la ralisation exprimen-tale dune diode pn tenant 19 kV ! Lavenir de ladiode pn SiC se situe dans des cahiers des chargestrs exigeants dans le domaine des trs hautes ten-sions (> 10 20 kV) et forts courants (de lordre dukiloampre) des applications de traction ferroviaireou de conversion dnergie.

Diode JBS

La diode JBS est un composant hybride issu duncroisement entre une diode pn et une diode Schottky.Lintrt dune telle structure est dobtenir une chutede tension directe plus faible quune diode bipolaire,tout en ayant un courant de fuite inverse plus faiblequune diode Schottky [30]. Dans le cas du SiC, cetype de composant redresseur est peut-tre lissuemajeure pour obtenir un vritable rival face aux dio-

Figure 10 Valeurs de facteurs de mrite JFM, KFM, BFM et BHFFM pour diffrents matriaux, relativement au silicium

Infincon Technologieshttp://www.infineon.comMicrosemi Corporationhttp://www.micro-semi.comCree Research Inc.http://www.cree.com

RECHERCHE

RE 3 - 8 Techniques de lIng

des pn silicium. La mme mtallisation sert pour lecontact Schottky et pour le contact sur le P+ ; il fautncessairement un compromis pour la tempraturede recuit du mtal (Ti ou Ni), les impratifs lis aucontact ohmique sur P+ (~1 000 1 100 C) et aucontact Schottky sur N (~500 800 C) tant diff-rents.

MESFET et SIT

Des dmonstrateurs de composants base de SiCpour des applications haute frquence ont tfabriqus. Les structures classiquement utilises sontdes composants de type MESFET ou SIT. Ce sont desinterrupteurs unipolaires dont la commande de grilleest un contact Schottky utilis en polarisationinverse. La technologie employe est essentiellement base de gravure, de contact Schottky et de contactohmique le moins rsistif possible. Le substrat dedpart est soit semi-isolant, soit conducteur, formalors dune succession de quatre couches : N/P+/N/N++.

Les deux contacts source et drain sur N++ sontspars par une gravure totale de la couche N++

pour rejoindre la couche N ; la grille est place dansle fond de gravure sur la couche N. Le dimensionne-ment de cette couche (~1017 cm3) ainsi que la lon-gueur de la grille (~0,5 m) sont les paramtresprincipaux rgissant les performances dun MESFET.Ces composants sont valus en terme de frquenceet de puissance. On relve une aptitude du SiC-4Hpour des composants fonctionnant 3,3 W/mm 10 GHz, voire mme 4,6 W/mm 3,5 GHz [3]. de telles frquences, la qualit des contacts estimportante (capacits parasites) et le composantfonctionne en rgime de vitesse de saturation desporteurs.

Des problmes de perte de gain haute tempra-ture (300 600 C) ainsi que de stabilit ont tconstats sur les substrats semi-isolants [module base de SIT destin des applicati(tlvision) a t ralis [32].

MOSFET de puissance

Les MOSFET de puissance raliss renconmmes problmes que les MOSFET plans basion, cest--dire une mobilit des lectronsble dans le canal dinversion et une mauvaisde linterface SiO2/SiC. Ces proccupations le SiC-4H nest pas le meilleur candidat pourFET de puissance en raison de sa mauvaisedans le canal. Les meilleurs composants (aybonne mobilit des lectrons dans le canalsion) ont t raliss sur 6H ou prospects[33].

Le MOSFET plan nest pas forcment une ptape vers le MOSFET de puissance, la ralisla couche P+ est trs diffrente dans une cotion de puissance. Les premiers transistors puissance ont dailleurs t des UMOS o laP+ est pitaxie et le canal port par legravure entre la source et le drain. La raliscette couche par implantation pour la ralisDIMOS introduit une inconnue non ngligeest la qualit de linterface SiO2/SiC duimplante/recuite, aspect peu tudi de cesant.

Lvaluation de LDMOS montre nouveau linsuffi-sante mobilit du canal, mais les progrs obtenus surles MOSFET plans peuvent, dans cette structure, treappliqus sans modification.

MOSFET accumulationUn moyen dviter les problmes de mobilit faible

du canal dinversion est de crer au pralable le canalpar implantation ou pitaxie. Cette mthode donnenaissance une autre gamme dinterrupteurs MOS-FET dits Accu-MOSFET (MOSFET accumulation).Dans ce type de composants, il nest plus questiondinversion sur type P mais de contrler la rsistivitdune zone de type N avec une commande par grilleMOS. Suivant lpaisseur et le dopage du canal, lecomposant est normalement passant ou bloqu.

Les rsultats obtenus montrent une nette amlio-ration des performances des composants (rsistanceen srie RON = 16 m cm2 pour une tension de cla-quage Vbr = 1 400 V [34]). Une applicationparticulire du domaine de la protection lectrique at propose et a abouti la ralisation dun compo-sant limiteur de courant bas sur une structure Accu-MOSFET (canal prform) tenant 600 V avec unedensit de courant de saturation de 900 A/cm2 etune rsistance srie spcifique de 12 mW cm2 [35].

JFETDans la continuit des MOSFET accumulation, les

composants dits JFET permettent dobtenir desrsistances srie faibles (RON = 14 m cm2 pourVBR = 1 800 V [36]).

Le composant tudi par Friedrichs (Siemens) [36]prsente des caractristiques intressantes et est lemeilleur interrupteur unipolaire obtenu sur SiC. Ilpourrait tre lun des premiers interrupteurs hautetension industriels en SiC.

Thyristor (GTO)

DIMOS : MOSFET double implantGTO : gate turn offJFET : junction fieldeffect transistorLDMOS : MOSFET latral diffusSIT : static inductortransistorUHF : ultrahaute frquenceUMOS : MOSFET en tranche

PWM : pulse wavemodulation4 - 2002nieur

31]. Unons UHF

trent lessse ten- trs fai-e qualitfont que le MOS- mobilitant une

dinver- sur 15R

remireation denfigura-MOS de couche

flanc deation deation deable quine zone compo-

Les thyristors GTO ont t parmi les premiersinterrupteurs obtenus sur SiC [37]. Ils sont raliss partir de quatre couches pitaxies (N/P/N/P) etncessitent une gravure locale pour atteindre la cou-che (P) correspondant la gchette. Les performan-ces des composants obtenus montrent une tenue entension de 2 600 V pour une rsistance srie spcifi-que de 3,3 m cm2 [38]. Les densits de courantatteintes sont leves, de lordre de 4 000 A cm2.La dure de vie ambipolaire (e + h) estime dans lethyristor GTO 2 600 V [38] est de 0,6 3,6 s ; dansles autres thyristors, elle est de 50 300 ns. Contrai-rement la technologie silicium, la couche tenant latension est de type P (type N en silicium), choixrsultant de la forte rsistivit des substrats SiC detype P qui oblige ne pas utiliser une couche de typeN. Elle serait peut tre mieux adapte pour la tenueen tension (plus faible coefficient dionisation paravalanche des lectrons par rapport aux trous deSiC ; cest linverse pour le silicium).

PerspectivesLes courbes reprsentes sur les figures 11 14

synthtisent les rsultats obtenus sur les dmonstra-teurs de composants de puissance haute tension enSiC.

Le principal handicap des diodes bipolaires SiC estleur seuil de tension lev en direct par rapport

RECHERCHE

aux diodes silicium (diffrence qui semble sattnuerexprimentalement avec laugmentation du calibretension/courant considr). Elles sont cependant trsperformantes en commutation grce des duresde vie des minoritaires faibles. Des tests comparatifsde diodes pn SiC places dans un contexte systmeont t effectus [39]. Dans le cas dun moduleIGBT-Si/diode-pn-Si, le remplacement de la diode pnSi par une diode pn SiC induit une rduction des per-tes totales de 95 % (module 2 500 V, test sous 150 Aet 400 A, la surface de la diode SiC est de 40 mm2).

Figure 11 Diodes pn SiC

102 103 1040

2

4

6

8

10

Vbr (V)

VF

(V)

10

0 A

/cm

2

pn SiC-4Hpn SiC-6H

102 103 1040

2

4

6

8

10

VF

(V)

1

000

A/c

m2

Figure 14 Interrupteurs unipolaires MOSFET, Accu-MOSFET, JFET en SiC ainsi que des MOSFET de puissance Si et des CoolMOS Si. Limites thoriques de Si, SiC-6H et SiC-4H

MOSFET

Accu-MOSFET

JFET

IGBT 6H

Power MOSFET Si

CoolMOS Si

102 103 104101

10

103

1

102

104

Vbr (V)

RO

N-S

PE (

m

cm

2 )

Si

SiC-6H

SiC-4H

VF (V) : chute de tensionVbr (V) : tension de claquage Techniques de lIngnieur4 - 2002 RE 3 - 9

La diode SiC fut fabrique sur une plaquette o unecartographie des micropores tueurs decomposants [40] avait t dresse au pralable.Les diodes Schottky SiC sont plus mme de concur-rencer les diodes pn silicium pour des tensions inf-rieures 1 000 V. Le remplacement dune diode Sipar une diode Schottky SiC-4H dans un module IGBT-Si/diode-pn-Si (module 600 V/50 A, surface de ladiode SiC de 16 mm2) a conduit une rduction de70 % des pertes du module. Pour ce qui est desinterrupteurs, les thyristors prsentent des temps decommutation faibles et ont t valus au sein dunsystme [41] compos entirement de composantsSiC (quatre GTO, trente-six JFET et six diodes, pourun circuit PWM dissipant 0,45 W 100 kHz louver-ture). Les composants MOSFET en SiC sont directe-ment concurrencs par les MOSFET de puissancesilicium et surtout par la dernire gnration superjoction , composants dits CoolMOS [42]qui permettent, non pas de repousser les limites dusilicium, mais de lutiliser au mieux. Lvaluation desperformances de tels composants en SiC annoncepeut-tre larrive de MOSFET SiC exceptionnels. Enattendant, la tendance est plutt lAccu-MOSFET ouau JFET, actuellement trs performants. Lassociationoptimale interrupteur/redresseur disponible sur lemarch est un CoolMOS-Si avec une diode SchottkySiC-4H (Infineon, avril 2001).

Figure 12 Thyristors GTO (SiC-4H)

Figure 13 Diodes Schottky (SB) et JBS. Limites thoriques de Si, SiC-6H et SiC-4H

Vbr (V)

102 103 104101

1

10

102

Vbr (V)

RD

YN

-SP

E (

m

cm

2 )

Si

SiC-6H

SiC-4HSB 4H

JBS 4H

JBS 6H

RDYN-SPE : rsistance dynamique spcifiqueRON-SPE : rsistance srie spcifique

RECHERCHE

RE 3 - 10 Techniques de lIng

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Cree Research Inc. (diodes lectroluminescentes bleues)http://www.cree.com Techniques de lIngnieur4 - 2002 RE 3 - 11

SiC pour llectronique de puissance du futur1. Le carbure de siliciumAspects cristallographiquesTechnologies de cristallogenseHomopitaxieHtropitaxie

2. Technologie des composantsDopageDopageDopage localis par implantation ioniqueNiveaux donneurs et accepteurs

Oxydes et isolantsOxydes thermiquesAutres isolants

Mtallisation et contactsContacts ohmiquesContacts Schottky

Gravure

3. Composants de puissance ralissPotentialits du SiCDiode SchottkyDiode bipolaireDiode JBSMESFET et SITMOSFET de puissanceMOSFET accumulationJFETThyristor (GTO)PerspectivesBibliographieRfrencesDans les Techniques de lIngnieur

Fabricants