Chapitre I : GENERALITES SUR LE CARBURE DE SILICIUMcsidoc.insa-lyon.fr/these/2006/gassoumi/06_chapitre_1.pdf · 2006. 11. 10. · Silicium et de ses principales applications dans

Chapitre I Généralités sur le Carbure de Silicium

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Chapitre I : GENERALITES SUR LE CARBURE DE

SILICIUM


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I.1 Introduction.

La croissance importante du marché mondial des semiconducteurs est liée au fait que

ces matériaux sont à l’origine de la révolution technologique de ces quarante dernières années

dans le domaine de l’électronique. En effet, l’électronique représente à l’heure actuelle le

marché mondial le plus important en volume ainsi que celui présentant la croissance la plus

rapide. Le marché des semiconducteurs couvre des domaines industriels très divers tels que

l‘informatique, l’automobile, les applications spatiales et militaires, sans oublier bien entendu

son rôle prépondérant dans les télécommunications.

Le matériau de base est le Silicium. De nombreuses raisons ont fait que le Silicium est

devenu le matériau semiconducteur prédominant. Par exemple, le Silicium permet la

réalisation de dispositifs électroniquement stables, qui supportent des températures jusqu'à

200°C. De plus, le Silicium est susceptible de former un oxyde SiO2 isolant et de grande

stabilité chimique. Par contre, pour son usage en électronique rapide et en optoélectronique,

les propriétés du silicium sont insuffisantes. La mobilité des porteurs est relativement faible

par rapport aux matériaux III-V, et son gap est indirect. L’énergie de bande interdite de

1,12eV et le champ de claquage de 0,3 MV.cm-1 limitent également les applications en

électronique de puissance.

Aujourd’hui, les semi-conducteurs à large bande interdite sont les candidats idéaux

pour réaliser un nouveau saut technologique. Leurs propriétés physiques (champ électrique de

claquage, vitesse de saturation, conductivité thermique) en font des matériaux sans

concurrents pour un grand nombre d’applications de forte puissance à haute fréquence et à

haute température. Les semi-conducteurs à grande bande interdite permettent d’étendre

l’utilisation des dispositifs électroniques dans le domaine des hautes températures, du fait de

leur grande bande interdite, et des fortes puissances, du fait du fort champ électrique de

claquage. Dans cette classe de matériaux, le diamant présente des propriétés exceptionnelles :

bande interdite très large (5.45 eV), mobilité importante des deux types de porteurs (µn = 2200

cm2/V.s et µp = 1600 cm2/V.s à 300 K, sans dopage intentionnel), une transparence optique

des micro-ondes à l’ultraviolet, une très grande conductivité thermique et il est inerte

chimiquement. Sa synthèse récente à basse température (800-900°C) et basse pression (20 à

80 Torr) en couches minces permet de commencer son exploitation. Elle reste encore limitée

par la taille des substrats (7×7 mm2) [Siriex’00], et une connaissance insuffisante des

caractéristiques des défauts et du dopage de type n, pour les couches homoépitaxiales. Les

avancées portent actuellement sur les couches polycristallines épaisses ou minces, dopées


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avec du bore ou non, et leur utilisation comme cathode froide (écrans plats, électrolyse) ou

capteurs (de photons UV, de température, de pression). Ces utilisations sont moins exigeantes

que la microélectronique sur la « qualité » des couches. La progression sur ces deux classes

d’applications nécessite un approfondissement des études de base sur le matériau, passant par

de nouveaux concepts en raison de ses particularités (interactions inédites porteurs - réseau -

défauts dues aux distances inter-atomiques très courtes, aux fréquences de phonons élevées, et

à des énergies d’ionisation des dopants intermédiaires entre niveaux peu profonds et

profonds). Au niveau international, les japonais, les américains, les anglais, les allemands et

les russes sont les plus actifs ; par exemple aujourd’hui dans le domaine du nucléaire on

utilise des diamants polycristallins pour les détecteurs de rayonnements [Bergonzo’99].

Parmi les semiconducteurs à large bande interdite, les nitrures d’éléments III (GaN,

AlGaN) possèdent des propriétés électroniques particulièrement intéressantes pour les

applications hyperfréquences [Mishra’98]. La vitesse maximum des électrons (2.7×107 m/s

pour du GaN en structure hexagonale) est supérieure à celle de l’arséniure de gallium. Par

ailleurs, leur largeur de bande interdite élevée (3.4 eV pour le GaN) et le fort champ

électrique de claquage de 3.5×106 V/cm [Gelmont’93] permettent un fonctionnement en

puissance et à haute température. De plus, un avantage très grand réside dans la possibilité de

réaliser des hétérostructures AlGaN/GaN avec de fortes mobilités électroniques de l’ordre de

1500 cm2.V-1.s-1. Enfin, leur grande stabilité chimique leur assure une excellente résistance

aux conditions extrêmes.

Le carbure de silicium est parmi ces semiconducteurs celui qui est connu depuis le

plus longtemps. En effet, c’est en 1824 que le scientifique suédois Jöns Jacob Berzelius

découvrit le Carbure de Silicium, alors même qu’il essayait de synthétiser du diamant. Le

carbure de silicium (SiC) est un cristal semiconducteur à grand gap dont les propriétés

physiques et électriques sont très intéressantes pour de nombreuses applications. En effet, en

1907, un ingénieur anglais, Henry Joseph Round, constate que lorsqu’un courant électrique

circule dans un morceau de Carbure de Silicium, celui-ci émet de la lumière [Round'07]. Mais

il faudra attendre 1979 pour que la première diode électroluminescente en Carbure de

Silicium émettant dans le bleu soit réalisée. Dès les années 60 et 70, le développement du SiC

en tant que matériau semi-conducteur est lié aux progrès réalisés dans le domaine de la

croissance de substrats de bonne qualité et l’utilisation de nouvelles techniques d’épitaxie

pour faire croître des couches actives n et p. Actuellement, le Carbure de Silicium est le semi-

conducteur à grande bande interdite dont on maîtrise le mieux la cristallogenèse et la


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technologie de réalisation des dispositifs électroniques. En effet, les étapes technologiques

pour le SiC sont relativement proches de celles utilisées dans la technologie du Si. De plus le

SiC possède, comme le Silicium, l’immense avantage de s’oxyder pour former du SiO2.

Ce chapitre traitera principalement des caractéristiques physiques du Carbure de

Silicium et de ses principales applications dans le domaine de la microélectronique. Nous

donnerons également une revue des principaux défauts électriquement actifs observés dans le

SiC jusqu’à présent.

I.2 Propriétés et applications du SiC

I.2.1 Polymorphisme du Carbure de Silicium

Le carbure de Silicium appartient à une famille de composés chimiques particulière

qui présente un polymorphisme à une dimension [Morkoc’94] appelé allotropie.

Revenons brièvement sur la définition de ces deux termes.

Tout d’abord, le polymorphisme est le terme employé pour désigner la possibilité pour

un composé chimique de cristalliser sous différentes formes minéralogiques. Ainsi, le

Carbonates de Calcium CaCO3 est dit « dimorphe » car il peut exister sous une forme

rhomboédrique, la calcite, ou sous forme orthorhombique, l’aragonite (du nom de la province

d'Espagne où il a été observé). Le polymorphisme ne nécessite pas forcément un changement

de système cristallin : le bioxyde de titane TiO2 possède deux formes dans le système

quadratique, celle du rutile et celle de l’anatase mais il se présente également sous une

troisième forme, la brookite du système orthorhombique, c’est donc un composé

« trimorphe ». Chaque forme possédant son domaine de stabilité propre, le polymorphisme est

largement utilisé pour définir les conditions de genèse qui président l’apparition d’un minéral

(par exemple, le cas de la silice).

L’allotropie est la propriété de certains corps purs à se présenter sous différentes

formes cristallographiques. Les formes allotropiques d’un corps peuvent présenter les

propriétés physiques très différentes. La différence entre les propriétés physiques et chimiques

des diverses formes allotropiques peut être illustrée par le carbone qui, selon la disposition des

atomes, peut se présenter sous forme de diamant ou graphite.

Le diamant, le plus stable de ces formes, possède une structure rigidement cubique :

chaque atome de carbone est lié à quatre autres atomes. Dans le graphite, qui cristallise dans

le système hexagonal, les atomes de carbone sont disposés selon des plans parallèles. Cette

différence de structure provoque des modifications sensibles dans les comportements


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chimiques et physiques : le diamant est très résistant du point de vue mécanique et chimique ;

le graphite et mou, clivable et présente une tendance plus prononcée à la réaction chimique.

Il a été recensé aujourd’hui plus de 200 polytypes de Carbure de Silicium

[Jagodzinski’60, Jepps’83], correspondant à des séquences d’empilement différentes le long

de l’axe c des couches Si-C (Silicium - Carbone), chaque atome étant dans une configuration

tétraédrique. La longueur de chaque liaison atomique est pratiquement la même pour chaque

polytype de SiC. La symétrie globale du cristal n’est déterminée que par la périodicité des

séquences. Ainsi, les polytypes de SiC sont classés suivant trois catégories cristallographiques

élémentaires : le système cubique (C), le système hexagonal (H) et le système rhomboédrique

(R).

Chaque couche atomique Si-C ne peut être orientée que suivant trois directions

possibles par rapport au réseau du cristal [Morkoc’94, Casady’96], celui-ci conserve ainsi une

structure de liaison atomique tétraédrique. Si les couches atomiques suivant une direction

particulières sont notées de manière arbitraire A, B et C et les séquences d’empilement

ABCABC, alors la structure cristallographique est de nature cubique ou zinc-blende ; (figure

I.1). Elle est connue comme étant le polytype 3C-SiC ou β-SiC. Le nombre 3 fait référence au

nombre de couches électroniques nécessaires à la périodicité du cristal et la lettre C à la

symétrie cubique de celui-ci. Il n’existe en fait qu’un seul polytype de Carbure de Silicium

appartenant au système cristallin cubique.

Si la séquence d’empilement des couches atomiques Si-C est ABAB…, alors la

symétrie du cristal est hexagonale [Casady’96, Trew’91] (figure I.2). Il s’agit alors du

A

A

A

B

C B

C

3C-SiC Figure I.1 : Structure Cristalline du polytype 3C-SiC

[Morkoc’94]


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polytype oté 2H-SiC Wurtzite. A partir de là, tous les autres polytypes sont combinaisons de

liaisons cubiques (zinc-blinde) et hexagonales (wurtzite).

Ainsi le polytype 4H-SiC est constitué par le même nombre de liaisons cubiques et

hexagonales. Le polytype 6H-SiC est composé aux deux tiers de liaisons cubiques, le tiers

restant étant des liaisons hexagonales (figure I.3). Cependant, la symétrie globale de ces deux

polytypes (4H-SiC et 6H-SiC) reste hexagonale, malgré la présence de liaisons cubique dans

chacun de ces polytypes. Les structures hexagonales et rhomboédriques sont regroupées dans

un même ensemble et sont notées α-SiC.

Figure I.2 : Liaisons entre les atomes de Silicium et de Carbone de nature

cubique (ou zinc-blende) et hexagonale (ou wurtzite) [Morkoc’94].

A

A

B

B

B

B

C

C

4H-SiC 6H-SiC

Figure I.3 : Structures cristallines de polytypes 4H-SiC et 6H-SiC [Morkoc’94]


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I.2.2 Propriétés Physiques du Carbure de Silicium

L‘intérêt dans le Carbure de Silicium (SiC) pour les applications électronique est

apparu dès le début des années 1960 en raison de ses propriétés remarquables (champ

électrique de claquage élevé, grande vitesse de saturation des porteurs sous fort champ et

conductivité thermique voisine de celle du cuivre). C'est un semi-conducteur à grande largeur

de bande interdite ayant un gap compris entre 2.2 et 3.3eV selon le polytype. De plus, le SiC a

un champ de claquage huit fois plus élevé et une conductivité thermique trois fois plus élevée

que le Silicium, ce qui permet de fabriquer des composants pouvant supporter des tensions

importantes avec un matériau qui évacue efficacement la chaleur. Ces propriétés sont très

intéressantes pour des applications à hautes températures et à fortes puissances.

Le Tableau I.1 présente les principales propriétés du Silicium (Si), de l'Arséniure de gallium

(AsGa), de Nitrure de Gallium (GaN), du Carbure de Silicium (SiC) et du diamant.

Gap Eg (eV)

Champ de claquage (KV.cm-1)

Mobilité électronique µn (cm2.V-1.s-1)

Vitesse de saturation (cm.s-1)

Conductivité Thermique (W.cm-1.K-1)

Constante diélectrique

Si 1.12 300 1000 0.8×107 1.5 11.9 GaAs 1.43 400 5000 2×107 0.54 12.8 GaN 3.4 3500 1500 2.7×107 1.3 9

4H-SiC 3.3 2000 800 2×107 5 9.7 Diamant 5. 5 10×103 1800 2.7×107 20 5.6

Tableau I-1 : Propriétés de quelques matériaux semiconducteurs.

Pour les applications hyperfréquences, les paramètres électroniques prépondérants

sont les caractéristiques de transport de charges (trous et électrons). Dans le domaine des

faibles champs électriques, les porteurs libres sont en équilibre thermodynamique avec le

réseau et leur vitesse moyenne est proportionnelle au champ électrique. En d'autres termes, la

mobilité des porteurs est indépendante du champ électrique et la vitesse de dérive s'écrit

simplement :

EV 0µ±=

Avec *0 mqτµ = , τ = temps de relaxation et m* = masse effective.

La vitesse de dérive des porteurs présente une valeur maximale Vsat obtenue pour une

valeur critique du champ électrique notée Ec. La valeur du champ électrique, pour laquelle se

produit la saturation de la vitesse de dérive, est très importante puisqu'elle traduit les

phénomènes d'accélération des porteurs jusqu'au régime de saturation. La vitesse de saturation


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pour les semi-conducteurs à grand gap est plus élevée que celle du silicium (Si) ou de

l'arséniure de gallium (GaAs). Ceci permet d'obtenir de forts courants DC et RF pour les

transistors MESFETs SiC.

Lorsque le champ électrique devient important, les interactions des porteurs avec les

vibrations du réseau entraînent une diminution de la mobilité des porteurs. Cette diminution

de la mobilité se traduit par une variation non linéaire de la vitesse de dérive des porteurs :

EEV ).(µ±=

Avec

VsatE

E+

=1

)( 0µµ

La mobilité des électrons (µn) et des trous (µp) sont des paramètres physiques prépondérants

pour les dispositifs microondes. En particulier, ils influent sur les performances RF, la

transconductance (Gm) et le gain en puissance des transistors MESFETs de puissance. De plus

le fort champ électrique d'avalanche du SiC [Van Opdorp’69] permet d'appliquer aux

transistors MESFETs de fortes tensions de polarisation de drain, ce qui permet d'obtenir des

puissances RF élevées en sortie.

La caractéristique de la vitesse des porteurs en fonction du champ électrique (figure

I.4) [Trew’91] est fondamentale pour déterminer l’amplitude du courant qui peut circuler dans

un composant. En principe, on souhaite une forte mobilité associée à une forte vitesse de

saturation.

Figure I.4: Caractéristique de la vitesse des électrons en fonction duchamp électrique pour plusieurs semi-conducteurs avec Nd = 1017

atomes/cm3 [Trew'91].


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Du point de vue des propriétés électriques, le seul inconvénient du SiC est la mobilité

relativement faible malgré une forte valeur de la vitesse de saturation. Pour une densité de

dopage de l'ordre de 1017 atomes/cm3, la mobilité des électrons varie de 200 à 600 cm2/V.s

suivant le polytype. La mobilité du polytype 4H-SiC est à peu près deux fois celle du polytype

6H-SiC. Le polytype 6H-SiC a donc l'inconvénient de présenter une faible mobilité

d'électrons : c'est la raison principale pour laquelle on préférera utiliser le polytype 4H pour

des applications microondes.

Pour synthétiser les avantages du carbure de silicium dus à ses propriétés physiques

intrinsèques, nous présentons dans la suite une comparaison de ses facteurs de mérite avec

d’autres semi-conducteurs.

I.2.2.1 Le facteur de mérite de Baliga (BMF)

Il mesure les performances du matériau pour une forte tenue en inverse et une faible

résistance en direct [Baliga’82] :

BFM= 3Cr Εµε

Où cE est le champ critique du matériau. µ est la mobilité des porteurs

I.2.2.2 Le facteur de mérite de Johnson (JMF) :

Il détermine l’aptitude du matériau pour des applications haute puissance et haute fréquence

[Johnson’63] :

JMF= (πν

2satCE )2

Où satν et la vitesse de saturation des porteurs

I.2.2.3 Le facteur de mérite de Keyes (KMF) :

Il établit l’aptitude du matériau pour la réalisation des circuits intégrés, en tenant compte de la

vitesse de commutation des transistors et de leur limitation par auto-échauffement [Keyes’72]

:

KFM=r

satcπενλ

4

Où c est la vitesse de la lumière et λ la conductivité thermique du matériau.

Le tableau suivant donne les valeurs de ces facteurs de mérite pour des matériaux

semiconducteurs, normalisées par rapport au silicium.


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Matériaux JMF KMF BMF

GaAs 7,1 0,45 15,6

Si 1 1 1

6H-SiC 260 4,68 110

4H-SiC 180 4,61 130

3C-SiC 65 1,6 33,4

GaN 760 1,6 650

Diamant 2540 32,1 4110

Le diamant possède de loin les valeurs de coefficients les plus élevées par rapport

aux autres matériaux semiconducteurs. Mais à l’heure actuelle, le SiC demeure le seul

matériau qui puisse répondre rapidement au besoin de l’électronique de puissance. On voit

que le GaN présente une figure de mérite JFM beaucoup plus important que celui du SiC. De

plus la possibilité de réaliser des transistors à haute mobilité électrique (HEMTs) à base de

GaN, permet d’atteindre des fréquences plus élevées que les MESFETs à base de SiC.

I.3 Les défauts dans le Carbure de Silicium (SiC).

Depuis la première mise sur le marché de substrats SiC, au début des années 1990, de

gros progrès ont été réalisés en termes de diamètre, de pureté et de qualité cristalline. Pourtant

aujourd’hui encore, la qualité des cristaux n’est pas encore satisfaisante. Les défauts du cristal

sont encore la raison principale du faible rendement de fabrication des composants. Les

diodes Schottky et les transistors MESFETs sont affectées par ces défauts.

I.3.1 Défauts étendus

I.3.1.1 Les micropipes

Ces défauts sont propres à la croissance du SiC selon la direction cristalline <c> ou

<0001>. Des améliorations du procédé de croissance ont permis de diminuer fortement leur

densité. Les micropipes ont la forme d'un tube creux traversant le cristal (figure I.5). Ils ont la

particularité de pouvoir atteindre de grands diamètres et être observés à l'aide d'un simple

microscope. Ils ont été révélés dans plusieurs matériaux cristallins (CdI2, PbI2, ZnS, mica,

couche minces de GaN et fréquemment dans le SiC). Plusieurs hypothèses ont été proposées

Tableau I-2 : Facteurs de mérites JMF, KMF et de BMF pour les principaux polytypes

de SiC comparés au Si, GaAs, GaN et le diamant [Chow’00].


19

pour expliquer leur mécanisme de formation. Certaines évoquent les mécanismes qui génèrent

des dépressions dans la surface de croissance, d'autres évoquent les mécanismes qui génèrent

des dislocations avec de grands vecteurs de Burger [Weitzel’98].

Ces défauts sont extrêmement néfastes. Ils constituent des lieux privilégiés de

détérioration des composants [Powell’91]. Pour cette raison, les micropipes ont longtemps été

considérées comme le principal handicap pour la commercialisation de composant à base de

SiC. De nombreuses études [Neudeck’94] montrent le caractère destructif des micropipes

pour les diodes Schottky, avec une réduction d’un facteur 10 de la tenue en tension du contact

redresseur. Si on trouve un micropipe sur une zone active du composant, celle-ci peut

engendrer une destruction du composant (court circuit, coupure de la grille…).

Des nouveaux travaux ont montré que l’optimisation des conditions de croissance

permet de réduire la densité des micropipes [Kamata’03]. A l’heure actuelle, les meilleurs

résultats sont ceux annoncés par la société Américaine CREE qui produit des substrats 4H-

SiC de 50 mm de diamètre, avec une densité de micropipes qui ne dépasse pas 5 cm-2.

D’autres résultats meilleurs encore ont été démontrés par CREE sur des substrats de 75 mm

de diamètre [Tuominen’99].

Figure I.5. : Image SEM d’une région contenant une micropipe d’après [Junlin’05]


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Tout récemment, une équipe composée de chercheurs de TOYOTA et DENSO, au

Japon, a publié [Nakmura’04] des résultats spectaculaires grâce à un procédé de croissance

original. Celui-ci consiste à réaliser une croissance sur la face (11-20) pour éliminer les

micropipes, puis à partir de ce lingot de préparer un nouveau germe sur la face (1-100) pour

éliminer lors de la croissance les dislocations dans le plan de base.

I.3.1.2 Les dislocations

Dans le SiC comme dans les autres types de cristaux, il existe deux grandes familles

de dislocations : les dislocations « vis » et les dislocations « coin ». Le SiC présente une assez

forte densité des 2 types de dislocations, typiquement supérieure à 104 cm-2.

Les dislocations n’ont pas l’effet catastrophique des micropipes, en tous cas sur les

composants unipolaires. Le cas des composants bipolaires est moins sûr. Dans tous les cas,

une dislocation est une voie privilégiée de migration des impuretés, métalliques par exemple,

vers l’intérieur du cristal et la couche active du composant. Ce mécanisme de migration est

susceptible d’affecter la duré de vie des composants. Plusieurs équipes ont étudié la formation

des dislocations dans les cristaux SiC [Takashi’96, Dudley99, Sanchez’02]. Sanchez et al ont

montré une corrélation entre la vitesse de croissance, la formation de fautes d’empilement et

la densité de dislocation. Cette dernière diminue lorsque la vitesse de croissance diminue.

Donc afin d’améliorer la qualité cristalline du matériau et de réduire le nombre de dislocation

il est nécessaire d’optimiser les conditions de croissance.

Ces dernières années plusieurs équipes [Wahab’00a, Wahab’00b, Janzen’01,

Neudeck’98], se sont intéressé à l'étude des effets des dislocations sur les performances des

diodes 4H-SiC. La corrélation entre la diminution de la tension de claquage et l’augmentation

de la densité des dislocations a été démontrée. Neudeck et al [Neudeck’98] ont utilisé la

SWBXT (Synchroton White Beam X-ray Topography) afin de localiser les dislocations

présentes dans la zone active des diodes, (figure I.6). Grâce à la haute résolution spatiale de

cette technique, ils ont pu les localiser et les dénombrer et ont montré que la présence d’une

seule peut limiter la performance des dispositifs.


21

Les dislocations vis sont le type de défauts le plus néfaste pour les composants de

puissance. Elles influent sur la tenue en tension mais aussi sur le comportement en direct des

dispositifs. Contrairement aux micropores peu de progrès ont été faits pour réduire leur

nombre. Il apparaît assez difficile d’éviter la présence de ce genre de défauts dans les

dispositifs. L’étude d’une diode Schottky 6H-SiC a montré que pour toute dislocation vis,

identifiée par SWBXT, correspondait un spot sombre indiquant un centre recombinant non

radiatif sur l’image EBIC [Schnabel’99].

I.3.1.3 Fautes d’empilement

Ces fautes d’empilements constituent des centres de recombinaison responsables de

la chute dramatique de la durée de vie des porteurs minoritaires et donc de l’augmentation de

la chute de tension en régime direct pour les diodes bipolaires [Bergman’01].

La création spontanée et la migration de fautes d’empilement en régime de

polarisation direct de composants bipolaires est accusée d’être à l’origine de la dégradation

observée des performances de ces types de composant.

Pour les composants unipolaires (les diodes Schottky et les transistors MESFET), il

n’a pas été rapporté de détériorations dues aux fautes d'empilement; ils sont tous réalisés sur

des surfaces parallèles aux plans de type <0001>. Ceci pourrait se produire sur des surfaces de

type <11-20> pour lesquelles le champ électrique serait parallèle au plan directeur des fautes

d’empilement qui pourraient devenir des sources de fuite [Tanaka’04]

Figure I. 6 : Image SWBXT en réflexion de deux diodes réalisées sur une épitaxie 4H-SiC a)diode A ne contient aucune dislocation. b) diode B contient une seule dislocation d’après Neudeck [Neudeck’98].


22

I.3.2 Défauts ponctuels et impuretés

Aujourd’hui encore, la qualité cristalline du matériau SiC est loin d’égaler celle du

Silicium ou du GaAs. Dans ce paragraphe, nous citons quelques centres d’impuretés qui sont

détectés par différentes méthodes de caractérisation.

I.3.2.1 Centres profonds liés à des impuretés

Le Tungstène (W) : Par des mesures DLTS, Achtziger a identifié un niveau d'énergie lié

au tungstène dans le 4H, 6H et le 15R-SiC avec des énergies d'activation respectives de

1.43eV, 1.16eV et 1.14eV au dessus de la bande de valence [Achtziger’98]. Un niveau

additionnel a été détecté sur le 4H-SiC avec une énergie d'activation de 0.17eV

[Achtziger’98].

Le Magnésium(Mg): Par des mesures DLTS Lebedev, a identifié après implantation du

magnésium dans le 6H-SiC type n, deux niveaux d'énergie d'activation 0.49eV et 0.45eV.

Après un recuit à 1600°C la concentration de ces deux niveaux diminue [Lebedev’98].

L'oxygène(O) : Lors du dopage du 4H-SiC avec de l'oxygène des travaux montrent la

présence de deux niveaux peu profonds d'énergies d'activation 0.3eV et 0.44eV et trois

niveaux profonds d'énergies d'activation 0.74eV, 0.9eV et 0.95eV, ces niveaux sont attribués

à la formation de complexes contenant l'atome d’oxygène [Lebedev’96].

Le Béryllium(Be) : Il a été observé dans le 6H-SiC types n et p à température ambiante

par la technique de photoluminescence avec un maximum qui varie de 1.85eV jusqu'à 2.1eV [Lebedev’96].

Le Molybdène(Mo) : Il a été montré sur des couches épitaxiées commercialisées par

CREE que le molybdène occupe le site Si dans le 6H-SiC [Lebedev’98].

Les niveaux profonds peuvent agir comme des pièges à électrons ou piège à trous ou

comme des centres de recombinaison qui contrôlent la durée de vie des porteurs. Les plus

fréquents des centres profonds rencontrés dans le SiC sont le Vanadium et le Titane. Par

ailleurs, des études ont aussi été réalisées sur le chrome, le manganèse, et le molybdène. Les

travaux de Maier et al sur du 6H-SiC par ESR (Electron Spin Resonnance) ont montré que le

vanadium : agissait comme un défaut profond amphotère [Dalibor’97]. Il se substitue au

silicium sur les divers sites de SiC et introduit deux niveaux :

• Un niveau accepteur lié aux configurations électronique V3+ (3d2)/V4+ (3d1) ≡A-/A0

• Un niveau donneur lié aux formes configurations électronique V4+(3d1)/V5+(3d0) ≡

D0/D+


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Ci-dessous nous présenterons les divers travaux réalisés à ce jour pour situer les niveaux du

vanadium dans la bande interdite du SiC 4H (tableau I.3).

Energie (eV) σ(cm2) Méthode utilisée Référence

V dans 4H-SiC V4+/V5+ Ec-1,73 OAS

(Optical Admittance

Spectroscopy)

[Evwaraye’94]

V4+/V5+ Ev-+1,18 Effet Hall [Augustine’97] V4+/V3+ Ec-0,8 Effet Hall (dopé

V) [Jenny’96a]

V4+/V3+ Ec-0,806 1,8.10-16 DLTS (Nd-

Na∼1,5.1018 cm-3) [Jenny’96b]

V4+/V3+ Ec-0,97

Séparation des deux

sites de 40 meV

7,8.10-15 DLTS (Nd∼3.1015

cm-3, implantation

isotropes radioactifs)

[Achtziger’97]

[Achtziger’98]

V4+/V3+ Ec-0,88

Séparation des deux

sites de 35 meV

4.10-15 DLTS [Maier’92]

Tableau I.3: Récapitulatif des données concernant le Vanadium dans SiC

I.3.2.2 Niveaux profonds supposés d’origine intrinsèque

Dans ce paragraphe, le lecteur trouvera une synthèse bibliographique sur les niveaux

électroniques rencontrés dans la bande interdite du carbure de Silicium après implantation ou

irradiation (Tableau I.4).

I.3.2.3 Niveaux superficiels

Dans ce paragraphe nous décrirons les impuretés utilisées comme dopant dans le SiC :

l’Aluminium, l’Azote et le Bore.

L’aluminium : Il joue le rôle d’un accepteur dans le SiC, est souvent présent dans les

substrats en tant que contaminant. Il est aussi utilisé pour réaliser des couches de type p

par implantation. Son énergie de liaison dans SiC est peu sensible au polytype et aux

différents sites. Dans le tableau ci-dessous nous citons quelques données concernant

l’aluminium dans le SiC.


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Position énergétique (eV) Augmentation de la concentration du défaut après

A/D Références

Centre 6H-SiC 4H-SiC Implantation Irradiation 6H-SiC 4H-SiC

L EV + 0.24 Ev + 0.24 A [Heindel’97] [Dalibor’97]

I Ev + 0.53 Ev + 0.53 Al Particule α A [Heindel’97] [Augustine’9

8]

D Ev + 0.58 EV + 0.54 B Particule α A [Heindel’97] [Lebdev’96]

S EC-0.35 He+ Electrons D [Anikin’85]

(E1/E2) Ec-0.34/0.41 A [Anikin’89]

Z1/Z2 Ec-0.6/0.7

Ec-1.06

EC-0.6-0.68 [Zhang’89]

[Reynoso’95]

[Augustine’9

8]

EH4 EC-1.45 [Achtizer’97]

Complexe

A1/ défaut

intrinsèque

Ev +0.8 Neutron A [Konstantino’00]

R Ec-1.27 He+ Electron A [Kalabukhova’96]

RD Ec-0.43 RD5 Ec-0.89(RD1/2)

Ec-0.98(RD3)

Ec-1.49(RD4)

H+ sur Type n [Kalabukhova’96]

R* Ec-1.17 H+ + recuit

Sur type n

[Kalabukhova’96]

ID

Ec-0.27(ID5)

Ec-0.4(ID6)

EC-0.5(ID7)

Ec-0.16(ID1)

Ec-0.19(ID2)

Ec-0.26(ID3)

Ec-0.32(ID4)

Ec-0.44(ID8)

Ec-0.52(ID9)

V+

ou

Ti+

[Kalabukhova’96]

[Kalabukhova’96]

[Achtizer’97]

[Achtizer’97]

[Achtizer’97]

[Achtizer’97]

[Achtizer’97]

[Achtizer’97]

Z1/Z2* Ec-0.65/0.58 He+ + recuit

Sur type n

[Kalabukhova’96]

UD1

UD2

UD3

UD4

0,997

1,0136

1,0507

1,0539

PL [Magnusson’05]

Le Bore : Il joue le rôle d’un accepteur dans le SiC et se trouve fréquemment comme

contaminant dans les substrats.

Il existe en tant qu’accepteur léger mais il forme aussi un complexe noté D (bore/lacune de

carbone qui agit comme un piège à trou [Suttrop’92].

Tableau I.4 : Paramètres et propriétés de quelques centres profonds dans le 6H et 4H-SiC.


25

Tableau I.5 : Récapitulatif des données concernant l’aluminium dans SiC.

Tableau I.6: Récapitulatif des données concernant le Bore dans SiC

ET-EV (eV) σ (cm2) Méthode utilisée Référence Al dans 4H-SiC 0.191 PL [Ikeda’80a] 0.2 PL [Haberstroh’94] 0.229 DLTS [Kuznetsov’94] 0.05/0.185 TL [Stisany’95] Al dans 6H-SiC 0.239 ; 0.2485 PL [Ikeda’79] 0.28 0.2. 10-14 DLTS [Anikin’85] 0.2 Effet Hall [Pensl’93] 0.2 PL [Ikeda’80b] 0.216 TL [Stisany’95] 0.21 Effet Hall [Stisany’95]

ET-EV (eV) σp(cm2) Méthode utilisée Référence B dans 4H-SiC

0.285 Effet Hall-Admittance [Troffer’78] Centre D dans

4H-SiC

0,44±0,04 DLTS B dans 6H-SiC

0,35 DLTS [Anikin’85] 0,3 Admittance [Suttrop’92] 0,3 DLTS,PL [Pensl’93] 0,35 OAS [Hagen’73] 0,39 TSC [Götz’93] 0,3-0,4 IR [Kimoto’96] 0,3-0,39 Effet Hall [Chen’97]

B(h :site hexagonal) B(k1 :site cubique1) B(k2 :site cubique2)

0,27 0,31 0,37

Admittance (Nd-Na∼3.1016 à 1018

cm-3)

[Evwaraye’97]

Centre D dans le 6H-SiC

0,63 0,71

1.10-14 3,6.10-14

DLTS [Anikin’85]

0,58 5±3.10-15 DLTS [Suttrop’90] 0,58 DLTS [Pensl’93] 0,58 1-3.10-14 DLTS [Mazzola’94] 0,75 OAS [Hagen’73]


26

L’azote : Il joue le rôle d’un donneur dans le SiC. C’est un contaminant que l’on retrouve

dans tous les polytypes de SiC et c’est le dopant choisi pour réaliser des substrats ou des

couche épitaxies de type n. L’azote se substitue au carbone en site hexagonal et en site

cubique. Son énergie d’activation est naturellement sensible au polytype et au site sur

lequel il se trouve.

EC-ET(eV) σ(cm2) Méthode utilisée Référence N dans 4H-SiC N(h) N(k)

0.08 0.13

PL [Hagen’73]

N(h) N(k)

0.066 0.124

PL [Ikeda’80b]

N(h) N(k)

0.045 0.1

Effet Hall [Götz’93]

N(h) N(k)

0.052 0.0918

IR [Götz’93]

N(h) N(k)

0.045 0.1

Effet Hall [Pensl’93]

N(h) N(k)

0.0518 0.0914

IR [Troffer’78]

N(h) N(k)

0.04-0.05 0.109

Admittance (Nd-Na∼3.1015à 2.1016 cm-3)

[Kimoto’96]

N(h) N(k)

0.071 0.092

Théorie [Chen’97]

N dans 6H-SiC N(h) N(k1,k2)

0.1 0.15

PL [Hagen’73]

N(h) N(k1,k2)

0.1 0.155

PL [Ikeda’79] [Ikeda’80]

N(h) N(k1,k2)

0.0855 0.125

Effet Hall [Suttrop’90]

N(h) N(k1,k2)

0.085 0.125

Effet Hall [Götz’93]

N(h) N(k1) N(k2)

0.081 0.1376 0.1424

IR [Götz’93]

N(h) N(k1,k2)

0.084-0.1 0.125-0.150 0.07-0.092

Effet Hall [Pensl’93]

N(h) N(k1) N(k2)

0.081 0.1376 0.1424

IR [Pensl’93]

N(h) 0.08 Admittance (Nd-Na∼ 8,9.1017 cm-3)

[Evwaraye’94]N(k1,k2) 0.11 Admittance (Nd-Na∼ 5.1015 à

6,4.1017 cm-3) [Evwaraye’94]

N(h) N(k1,k2)

0.07 0.14

4.3.10-14 2.2.10-12

Admittance (Nd-Na∼1,3.1016 cm-3)

[Raynaud’94]

N(h) N(k1,k2)

0.072 0.130

2.10-12 1.10-11

Admittance (Nd-Na∼0,85 à 1,1.1017 cm-3)

[Saddow’95]

N(h) N(k1) N(k2)

0.19 0.797 1.089

Théorie [Chen’97]

Tableau I.7 : Récapitulatif des données concernant l’azote dans SiC


27

I.4 DISPOSITIFS ELECTRONIQUES SUR CARBURE DE

SILICIUM

Pratiquement tous les types de dispositifs électroniques ont été réalisés sur SiC :

diodes PN, transistors bipolaires, transistors FETs, etc. Toutes ces réalisations ont permis de

vérifier que les potentialités du SiC sont effectivement utilisables dans différents types de

dispositifs électroniques et permettent d’aller au-delà des limites des dispositifs sur Silicium

et Arséniure de Gallium.

I.4.1 Les diodes bipolaires en SiC

La diode bipolaire en SiC-4H possédant la tenue en tension la plus élevée (19 kV), a

été réalisée par Sugawara et Takayama [Sugawara’00a]. Sa structure est représentée sur la

(figures I.7a). Deux types de diodes sont fabriquées avec trois diamètres différents (200, 500,

1000 µm). La protection de cette diode est une combinaison entre le type MESA et JTE

(Junction Termination Extension) avec une longueur de poche égale à 500 µm. La densité de

courant en inverse notée JR, augmente lorsque la tension en inverse est supérieure à 6 kV pour

les deux types de diode. Des mesures de courant de fuite ont été réalisées et mettent en

évidence une augmentation du courant pour une température supérieure à 250°C. En direct, la

tension de seuil diminue lorsque la température augmente. Des mesures de temps de

commutation de cette diode sont réalisées sous un courant de 100 mA pour une tension de

blocage de 400 V. Par rapport à une diode silicium (6 kV), le temps de commutation est

quatre fois plus faible pour la diode en SiC. A titre de comparaison, la tension de seuil d’une

diode en silicium pouvant supporter une tension de blocage égale à 14 kV serait égale à 25 V

[Sugawara’00a]. De plus, cette étude met en évidence le bon comportement en température

des diodes en carbure de silicium.


28

I.4.2 La diode Schottky en SiC

En silicium, les diodes Schottky possèdent des tensions de blocage de l’ordre de 150 à

200 V, (tableau I-8). En SiC, les diodes Schottky sont essentiellement réalisés avec le

polytype SiC-4H avec du nickel comme métal. Le premier démonstrateur de diode Schottky a

été réalisé par Bhatnagar [Bhatnagar’92]. La tenue en tension était de 400 V pour une

épaisseur de couche égale à 10 µm dopée à 3.6 1016 cm-3. Cette diode n’avait pas de

protection périphérique. La diode Schottky possédant un courant en direct le plus élevé a été

développée par Singh [Singh’02]. En direct, la résistance spécifique est seulement de 7,4

mΩ.cm2, le courant maximal atteint est de 130 A pour une surface active de 0,64 cm2. La

tension de claquage est égale à 300 V. La couche épitaxiée de type N est dopée à 5x1015 cm-3

avec une épaisseur de 15 µm. De plus, une diode Schottky a été développée afin d’augmenter

la tenue en tension. Avec une couche épitaxiée de 100 µm d’épaisseur dopée à 7x1014 cm-3, la

tension de claquage est de 4500 V. Sous une densité de courant égale à 25 A·cm-2, la tension à

l’état passant est égale à 2,4 V. La protection périphérique de cette diode est réalisée par

implantation d’anneaux de garde en bore. La dose totale d’implantation est de 1013 cm-3.

En 2002, la société INFINEON a commercialisé des diodes Schottky caractérisées par une

tension de blocage de 600 V. Les calibres en courant sont de 6 ou 12 A [Infineon’04].

Aujourd’hui, il existe 5 fabricants de diodes Schottky en SiC (Infineon, APT, Fairchild,

Rockwell, CREE).

Figure I.7.a : coupe de la diode bipolaire en 4H-SiC protégée par MESA/JTE [Sugawara’00a]

Figure I.7.b : coupe d’une diode Schottky en 4H-SiC [Sugawara’00b]


29

Tableau I.8 : Caractéristiques électriques de quelques diodes Schottky Si et SiC

I.4.3 La diode JBS (Junction Barrier Schottky)

Une idée originale a été de développer une diode combinant les avantages d’une diode

Schottky en direct (faible tension de seuil à l’état passant et peu de charges stockées) et d’une

diode bipolaire en inverse (tenue en tension élevée et faible courant de fuite). Ainsi, la

performance des diodes Schottky sera améliorée en régime bloqué [Baliga’92].

Alexandrov et Wright ont développé deux types de démonstrateurs pour des diodes MPS

(Merged Pn Schottky diode) [Alexandrov’01]. Elles présentent l’avantage d’avoir un courant

de 140 A sous une tension de 4 V en direct. En inverse, la tenue en tension obtenue est de 600

V. La protection périphérique est assurée par une MJTE (Multi-step Junction Termination

Extension). Les figures I8 et I9 illustrent une coupe des composants.

Nom Tension de blocage [V] Courant en direct [A]

I230 IXYS double diode Boîtier plastique [Ixys’04]

180

2 * 15 A

80cpq150 Boîtier plastique [Irf’04]

150

80

20sc60K APT SiC Boîtier plastique

[Advancedpower’04]

600

20

SCH 1200-785 SiC Boîtier plastique

[Rsc.rockwell’04]

1200

7,5

Figure I.8 : Structure diode MPS en SiC-4H [Alexandrov’01] protégée par MJTE


30

Des mesures sont réalisées en commutation et comparées à une diode bipolaire en

silicium (600 V, 120 A, temps d’ouverture = 35 ns). La charge stockée dans la diode en

silicium est trois fois plus importante que dans la MPS (Merged Pn Schottky diode). De plus,

pour une élévation de température de 200°C, la charge stockée dans la diode silicium est

multipliée par cinq par rapport à sa charge à température ambiante alors que pour la diode en

carbure de silicium, elle reste sensiblement la même.

I.4.4 Les Transistors HBT

Le concept du transistor bipolaire à hétérojonction (HBT : Heterojunction Bipolar

Transistor) introduit en 1948 par les travaux de Schockley est basé sur le principe de

fonctionnement des transistors à jonctions classiques (BJT) (figure I.10). L’amélioration de

ses performances par rapport au BJT provient de l’utilisation d’une hétérojonction base-

émetteur.

Figure I.9 : Structure diode JBS en SiC-4H [Sugawara’00b]

Substrat semi-isolant GaAs

nGaAs Subcollecteur

Contacts ohmiques

nGaAs Collecteur

pGaAs Base nInGaP Emetteur nInGaAs ContactHétérojonction

Figure I.10 : Vue en coupe d’un transistor bipolaire à hétérojonction [Fazal'91].


31

L’hétérojonction a pour particularité de présenter aux trous une barrière de potentiel

plus élevée qu’aux électrons. Ceci se traduit par une meilleure efficacité d’injection de

l’émetteur, autorisant un surdopage de la base, ce qui contribue à la diminution de la

résistance parasite de la base et à la possibilité de travailler à des fréquences élevées. Du fait

de sa structure verticale qui lui procure une isolation des jonctions de la surface et des

interfaces avec le substrat, le HBT est peu sensible aux effets de pièges [Fazal].

Pour augmenter le gain en courant d’un HBT type AlGaAs/GaAs, il faut augmenter le

dopage de l’émetteur et diminuer celui de la base. Dans ce cas, pour garder une résistance

parasite de base relativement faible, il est alors nécessaire d’augmenter la largeur de la base.

Mais ceci augmente le temps de transit des électrons dans la base et réduit ainsi les

potentialités de fonctionnement en hautes fréquences.

La solution réside donc également dans l’obtention de larges excursions en tension.

L’intérêt d’utiliser un matériau grand gap est de ce fait avéré. Il permet de réduire le ratio

dopage de l’émetteur/dopage de la base tout en maintenant un niveau de puissance important.

Par ailleurs, la forte conductivité thermique du SiC permet de gérer un des points les plus

sensibles dans les HBT, à savoir la dissipation de chaleur. Dans ce domaine, la réalisation

d’un HBT en technologie GaN/SiC est proposée par J. Pankove (figure I.11) [Pankove’94].

Le taux d’injection des porteurs de l’émetteur vers la base est toutefois pénalisé par

cette hétérostructure dégradant le gain en courant. Pour pouvoir concevoir des transistors

combinant la montée en fréquence et la montée en puissance, de nombreuses réalisations sont

aujourd’hui à l’étude [Estrada’03].

Contact de collecteur : Al/Cr

n SiC Collecteur

P SiC Base

Contact de base : Al/Cr

nGaN Emetteur

Contact d’émetteur : Al

Figure I.11 : Réalisation d’un HBT en technologie GaN/SiC [Pankove’94]


32

I.4.5 Les transistors Bipolaires

Le transistor bipolaire est constitué de trois électrodes, émetteur, base et collecteur. Il

existe deux types de composants, NPN et PNP. Dans le domaine de la puissance, le modèle le

plus utilisé, en technologie silicium est le NPN. La conduction du transistor NPN est assurée

par les électrons or la mobilité des électrons est supérieure à celle des trous donc le transistor

NPN possède une chute de potentielle plus faible à l’état passant que le PNP. La figure I.12

montre le schéma de principe d’un transistor bipolaire NPN.

Ce composant est formé de deux jonctions PN. En régime bloqué, si la tension VCE est

positive, la jonction Collecteur/Base est en inverse et elle est optimisée de façon à supporter la

tension. Si un courant de base IB est appliqué positivement, la jonction Emetteur/Base se

polarise en direct. En régime linéaire ainsi l’émetteur injecte des porteurs minoritaires dans la

base. Le collecteur a pour rôle de collecter ces porteurs dans la base sous l’effet d’un fort

champ électrique (la jonction base-collecteur est polarisée en inverse).

Aujourd’hui, le transistor bipolaire n’est quasiment plus utilisé car d’un point de vue

de la commande, il n’est pas du tout avantageux. En effet, pour le mettre en conduction, il faut

appliquer un courant positif ou négatif selon le type NPN ou PNP. Pour qu’il reste

conducteur, il faut continuer à appliquer le courant de commande ce qui est très coûteux en

énergie. De plus, une commande en courant est beaucoup plus difficile à réaliser qu’une

commande en tension. Avec ces différents inconvénients, il devient de plus en plus difficile

de trouver dans le commerce des transistors bipolaires de puissance. Cette gamme de

composants a été détrônée par l’IGBT qui offre une commande moins coûteuse en énergie.

Un transistor bipolaire NPN, a été réalisé en SiC-4H [Tang’02]. L’originalité du transistor

repose sur le fait que l’émetteur est obtenu par implantation ionique de phosphore (figure

I.13). Les caractérisations électriques de ce démonstrateur montrent que le gain en courant

varie classiquement avec la valeur du courant de collecteur et la température du composant.

Figure I.12 : schéma de principe d’un transistor NPN vertical

Figure I.13 : Transistor bipolaire en SiC-4H réalisé par [Tang’02]


33

Pour JCE égal à 20 A.cm-2, le gain passe de 8 à 3 lorsque la température varie de 25 à 250 °C.

En simulation, il est montré que VCE0 augmente lorsque l’épaisseur de la base augmente au

détriment du gain en courant. Un transistor bipolaire NPN a été conçu par Ryu [Ryu’01] en

SiC-4H. A partir d’un substrat de type N+, trois couches sont épitaxiées. La protection en

périphérie est de type mésa avec JTE. La dose totale de la poche est de 1,13×1013 cm-3. La

tension de claquage théorique uni-dimensionnelle est de 3,1 kV. Les premières

caractérisations électriques montrent que la tension de claquage du transistor est de 1,8 kV

(VCE0). La tension maximale collecteur base, l’émetteur étant ouvert, est égale à 2,2 kV

(VCB0). La résistance à l’état passant est égale à 10,8 mΩ.cm pour une tension VCE égale à 2V.

Ce transistor bipolaire est parmi ceux dont la tenue en tension est l’une des plus élevée.

I.4.6 L’IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

L’IGBT est l’un des composants en électronique de puissance le plus utilisé

actuellement. Il est présent dans les domaines de moyenne et forte puissance. Il offre de bons

compromis car il possède la rapidité d’un transistor MOSFET et un niveau de courant élevé

grâce à l’injection de porteurs minoritaires. Des recherches avec du silicium sont développées

sur la montée en tension. Il existe deux types de structures différentes. Une première structure

existe, elle est nommée PT (punch through). Le composant est élaboré à partir d’un substrat

de type P sur lequel deux couches sont épitaxiées, une de type N+ servant de couche tampon

et l’autre très épaisse, de type N, utilisée pour la tenue en tension. Un second principe est

développé autour d’une plaquette de type N, l’émetteur en face arrière est obtenu en

implantant des ions Al+ ou B+, le porte canal et le collecteur sont obtenus de même par

implantation et diffusion, (figures I.14a,14.b). Pour les 2 cas représentés ci-dessous, les

couches de type N- n’ont pas la même épaisseur (3 fois plus faible pour l’IGBT PT) pour une

tension de blocage donnée.


34

Un IGBT en SiC-6H a été élaboré sur une plaquette de type N [Ryu’00]. La surface

active est égale à 0,02 cm2. En périphérie, la structure est de type MESA avec une protection

par poche. La structure, en inverse, supporte des tensions allant jusqu’à 380 V. La valeur de la

résistance RDson peut varier très fortement avec la température. Elle passe de 80 mΩ·cm² pour

T=400°C à 430 mΩ·cm² pour T=30 °C. En direct, le courant de collecteur est égal à 2 A sous

VCE = -10 V avec VGE = -30 V. Un second IGBT est développé en SiC-4H [Singh’99]. Sa

structure est de type UMOS avec un canal P. Cette architecture permet une meilleure densité

d’intégration du composant sur la plaquette par rapport à d’autres possibilités (par exemple la

structure latérale). Des caractérisations électriques en température montrent que la résistance à

l’état passant diminue lorsque la température augmente. En direct, le courant peut atteindre

1,5 A sous une chute de potentiel de 15 V, pour une tension de commande de –36 V. En

inverse, la tension de claquage est seulement de 85 V comparée à 790 V pour une diode

bipolaire réalisée sur la même plaquette.

I.4.7 Le thyristor GTO (Gate turn-off thyristor)

J.B. Fedison et T.P. Chow [Fedison’01] ont fait varier la forme des doigts d’anode et

de gâchette. Ainsi, l’influence de la géométrie des électrodes sur l’ouverture peut être

illustrée. Le temps d’ouverture du thyristor est plus élevé. Le temps de mise en conduction est

plus court pour le type de doigt, car l’écartement des doigts est constant. Un thyristor GTO

asymétrique a été conçu par S.H. Ryu [Ryu’01] en SiC-4H. La structure représentée sur la

figure I.15 est protégée par une gravure et une poche (mesa/JTE). La surface totale du

composant est de 4 mm². Sous une chute de potentiel de 4,97 V en direct, il laisse passer un

courant de 12 A. En direct bloqué, il tient une tension de 3,1 kV. Un montage expérimental

est développé pour commander à la fermeture le GTO avec un générateur d’impulsions

délivrant un courant de 6 A dans la gâchette pendant des durées de 12 µs. Le temps de

blocage est estimé à 500 ns et le gain en courant du turn-off est égal à 3,3. Ces résultats

Figure I.12.a : structure IGBT NPT

Figure I.12.b: structure IGBT Punch Through


35

montrent que ce thyristor a un régime de blocage avec une tension 3100 V et commute avec

des temps de 500 ns.

Des thyristors en carbure de silicium (figure I.16) ont été réalisés sur deux plaques différentes

[Campen’03]. Ces deux plaques ont subi le même déroulement technologique en même

temps. Un morceau de la plaque 2 a été découpé afin de réaliser une protection de type

anneaux implantés. Les résultats électriques montrent que la protection mesa/JTE est plus

efficace que les anneaux implantés car la tenue en tension passe de 4090 à 5760 V. Pour la

plaque 1, la tenue en tension des thyristors est égale à 4020 V alors qu’en simulation la

tension de blocage de la jonction semi plane infinie est de 6,13 kV. Avec la même protection

et la même surface de composant, la tension est égale à 7040 V pour la plaque 2. La surface

du composant joue un rôle sur la tenue en tension car un composant de 4 mm² possède une

tension de blocage de 5760 V alors que pour une surface de 0,25 mm², la tension est de

7040V. Ceci est due à la qualité du matériau car en terme d’inclusions de polytypes et

d’absence de matière (micropipes), le SiC connaît des densités de défauts [CREE’04] non

négligeables par rapport au Si. En mode passant, sous une tension VAK de 5V, la densité de

courant est supérieure à 1000 A.cm-2 pour un thyristor de 4 mm² de la plaque 2.

I.4.8 Les Transistors MOSFETs SiC.

Le MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) est le transistor

unipolaire (à porteurs majoritaires), le plus utilisé en électronique de puissance du fait qu’il

est normalement fermé. La figure I.17 illustre un MOSFET vertical en silicium.

Figure I.15 : Thyristor gravé en SiC-4H protection mesa et JTE [Ryu’01]

Figure I.16 : Thyristor gravé en SiC-4H protégé par mesa et JTE


36

Si une tension Vds positive est appliquée à la structure, la jonction P+Ν est en inverse.

Pour mettre en conduction l’interrupteur, il suffit d’appliquer une tension Vgs positive. A

l’interface P/oxyde, dans le semiconducteur, une zone de porteurs minoritaires est créée

(appelée canal). Ainsi les charges créées sont des électrons. Le drain et la source se retrouvent

court-circuités par la grille. Le transistor est conducteur et la résistance du composant est

modulée par l’électrode de grille.

L’élaboration d’interrupteurs du type MOSFET en carbure de silicium connaît

quelques problèmes. L’interface semi-conducteur/oxyde présente des densités de défauts

élevées réduisant les performances électriques des transistors MOSFET (canal très résistif)

[Perret’03]. La mobilité des porteurs dans le canal est très réduite. De plus dans le SiC, la

structure MOSFET verticale « classique » en Si doit être adaptée aux exigences

technologiques du SiC en terme de profondeur de jonction. Or les coefficients de diffusion

des impuretés dopantes 10-4 cm2.s pour le bore et 10- 8 cm2.s pour l’aluminium ne permettent

pas la réalisation de zones dopées localement profondes par cette technique. De plus, la

Figure I.17 : Structure MOSFET Verticale en Si

Figure I.18 : LDMOSFET en SiC-4H

Figure I.19 : MOSFET en SiC-4H [Ryu’01]


37

mobilité dans le canal est très faible, surtout pour le SiC-4H à température ambiante (4 à 5

cm²·V-1·s-1). Ces faibles valeurs sont dues aux charges à l’interface semiconducteur/oxyde.

Cependant, des travaux sont développés afin de rendre attractif le MOSFET en SiC. Spitz et

Melloch [Spitz’98] ont élaboré un démonstrateur de LDMOSFET en SiC-4H, (figure I.18).

Dans ce cas, l’épaisseur qui permet la tenue en tension est celle entre les plots P et N+

(anneau de garde), ici elle est égale à 35 µm. Ainsi la tension de claquage théorique peut être

égale à 4,5 kV. Des caractérisations électriques effectuées sous « Fluorinert » donnent une

tension maximale de blocage de 2,6 kV. La tension de seuil du transistor est égale à 6 V. En

mode passant, le courant est égal à 1µA sous une tension VDS de 20 V pour VGS égal à 24 V.

La résistance spécifique est ainsi égale à 200 mΩ.cm2.

Le transistor MOS SiC-4H possédant la tenue en tension la plus élevée a été réalisé sur

la base d’une structure DMOSFET [Ryu’04]. L’épitaxie permettant la tenue en tension est

dopée 6×1014 cm-3 sur une épaisseur de 115 µm. La tenue en tension maximale obtenue par

mesure est égale à 10 kV. La protection du composant est assurée par 3 poches. La

passivation du composant est réalisée à l’aide d’un dépôt de 1,5 µm de SiO2. L’épaisseur de

l’oxyde thermique de grille est égale à 80 nm. En conduction, pour une tension de commande

Vgs égale à 25 V, sous une tension Vds de 10 V, le courant est égal à 150 mA. La surface

active du composant est égale à 4,2×10-2 cm². Ainsi, le RDSon est égal à 7 Ω.cm2.

Des travaux sont réalisés pour tenter d’améliorer les mobilités dans le canal. Des

transistors MOSFET canal n sont fabriquées sur des couches de SiC-4H afin d’extraire la

mobilité des porteurs dans la zone d’inversion, (figure 19). Il a été montré que la face (Si ou

C) du SiC et le traitement thermique (température, durée, ambiance) jouent un rôle sur les

valeurs. En optimisant ces différents paramètres, une mobilité moyenne (entre mobilité du

canal et en dehors) a été mesurée et elle est égale à 127 cm².V-1.s-1 [Fukuda’04].

I.4.9 Les transistors JFET en SiC

Le JFET en SiC est un composant d’électronique de puissance plus avancé que le

MOSFET car la faible mobilité des porteurs dans le canal du MOSFET implique des

résistances en direct plus élevées que celle du JFET. Le JFET étant un transistor unipolaire,

les temps de commutation sont beaucoup plus faibles que ceux des transistors bipolaires. Par

contre, ce transistor est de type ″Normally-ON″ ce qui rend plus difficile à mettre en oeuvre

dans des applications telles que l’onduleur car à la mise sous tension tout (entrée et sortie) se

trouve court-circuité. H. Onose et A. Watanabe [Onose’02] ont développé un JFET en SiC-4H

vertical (figure I.20) dont les caissons de grille sont réalisés par implantation ionique.


38

L’épaisseur de la couche épitaxiée de type N est égale à 20 µm et elle est dopée à 2,5×1015

cm-3. La tension de blocage est égale à 2000 V avec un courant de fuite de l’ordre de 2 mA.

La valeur de RDson diminue lorsque la dose d’implantation de la grille diminue et la largeur du

canal augmente. La valeur moyenne du RDSon est de 60 mΩ.cm2.

Un JFET a été réalisé sur du SiC-4H (Figure I.22) présentant des résistances

spécifiques faibles (21,5 mΩ·cm²) [Friedrichs’00]. La figure I.22 illustre la structure. Trois

lots sont réalisés avec différentes valeurs pour la couche épitaxiée n°1. La résistance RDson

varie de 21,5 mΩ·cm² à 24,5 mΩ·cm² à température ambiante (T=25°C). Plus la couche

épitaxiée n°1 est épaisse et peu dopée, plus la tension de claquage augmente.

J.H. Zhao et X. Li [Zhao’02] ont fabriqué un JFET vertical “normally-off“. Deux

paramètres sont optimisés, la hauteur du canal horizontal (h) et la largeur du canal vertical (d).

Ce JFET est basé sur un caisson de type P. Pour une largeur de 2,5 µm et une hauteur de 0,17

µm, la tension de blocage du système est de 1644 V à 300 K et de 1800 V à 600 K.

Figure I.22 : JFET en SiC-4H [Friedrichs’00]

Figure I.23: SIAFET SiC-4H [Sugawara’00]

Figure I.20 : Schéma d’un JFET en SiC-4H [Onose’02]

Figure I.21 : JFET vertical en SiC-4H [Zhao’02]


39

Une structure originale telle que le SIAFET (Static Induction Injected Accumulated

FET) illustrée par la figure I.23 est développée sur du SiC-4H [Sugawara’00].

I.4.10 Les Transistors MESFETs SiC.

Le fonctionnement du MESFET est basé sur la modulation de l’épaisseur du canal

sous la grille. L’ensemble, constitué par la métallisation de grille et le semiconducteur (SC)

de type N au dessous de la grille, forme une jonction ou diode Schottky. La présence de ce

contact justifie la dénomination MESFET (MEtal Semiconducteur Field Effect Transistor).

La structure d'un transistor MESFET est représentée sur la figure I.24.

En partant du bas de la figure I.24, il apparaît tout d'abord un substrat mono cristallin

en SiC qui doit être le moins conducteur possible. Il ne joue aucun rôle électrique mais

constitue essentiellement un support mécanique pour le reste du composant. Sur ce substrat,

une fine couche active dopée N est insérée, soit par épitaxie, soit par implantation ionique.

Deux zones fortement dopées N+, l'une sous l'électrode de drain, l'autre sous l'électrode de

source sont rajoutées à la structure par une nouvelle implantation.

Elles permettent de réduire les résistances de contact, néfastes pour les performances du

composant. Les propriétés électriques de la structure sont généralement améliorées par la

présence d'une couche tampon faiblement dopée entre la couche active et le substrat. Son

épaisseur est de quelques microns. Elle évite la migration d'ions au niveau de l'interface et

préserve la valeur de la mobilité des porteurs dans cette région. Enfin, trois contacts par dépôt

de film métallique sous vide sont réalisés. Les deux extrêmes forment les électrodes de source

Figure I.24 : Vue en coupe d'un MESFET SiC


40

et de drain. Le contact est de nature ohmique. Celui de l'électrode de grille est de type

Schottky.

De plus, sur la Figure I.24, les principales dimensions géométriques sont représentées.

La petite dimension de contact de grille Lg est appelée par convention longueur de grille du

transistor. Elle détermine en grande partie la fréquence maximale d'utilisation du transistor.

Pour les composants hyperfréquences elle est souvent inférieure à 1 µm. La deuxième

dimension est la largeur de grille W et elle rend compte de la taille du transistor. Sa dimension

typique est de l'ordre de 50 à 1000 fois celle de Lg. L'épaisseur « a » de la couche active est

généralement de 0.2 µm à 0.4 µm.

I.4.10.1 Etats de l’art sur les MESFETs SiC

Les premiers MESFETs ont été réalisés sur des substrats conducteurs de type 6H-SiC.

Ainsi, différentes équipes de recherche ont mis au point des transistors MESFETs 6H-SiC, en

particulier l’équipe de J. W. Palmour à CREE Research [Palmour’93]. Mais il s’est avéré qu’il

y avait une conduction parasite ce qui provoque l’apparition d’une capacité parasite au niveau

du substrat et par la suite des courants de fuite et des phénomènes de pertes sur les

caractéristique de sortie des MESFETs.. Par la suite, le polytype 4H-SiC est apparu plus

intéressant : en effet, ce polytype possède une mobilité dont la valeur est environ deux fois la

valeur de la mobilité du 6H-SiC. Dans le même temps CREE a développé la croissance de

substrats semi-isolants.

L’équipe de recherche de Charles Weitzel [Moore’97] en association avec John W.

Palmour de Cree Research à réussi à améliorer les performances hyperfréquences et en

puissance des transistors MESFETs 4H-SiC à substrat conducteur. La structure des transistors

MESFET 4H-SiC est la même que celle décrite sur la figure I.24. La figure I.25 représente les

performances RF de puissance de ce transistor.


41

Jusqu’en 2000 les seuls substrats semi-isolants disponibles étaient des substrats

compensés par du Vanadium. Mais grâce à une collaboration étroite lors de projet européens

(JeSiCa TelSiC), Thales a pu disposer de substrats de haute pureté réalisés par HTCVD

[Kerlain’04].

En effet, le Vanadium est le premier élément qui permet d’obtenir un substrat semi-

isolant. En effet le vanadium est amphotère dans le 4H et le 6H-SiC c’est-à-dire il peut se

comporter comme un accepteur dans un matériau résiduel de type n (0.8-0.9eV) soit comme

donneur profond (1.5eV) dans un matériau résiduel de type p.

Par conséquent, des efforts apportés en vue d’améliorer les performances de ces

transistors reposent essentiellement sur la nécessité de réaliser des substrats de haute pureté

avec une distribution homogène d’impureté et d’un degré élevé de perfection structurale. Les

transistors MESFETs SiC mis au point par Cree Research sont destinés à des applications en

bande S (bande de fréquence qui s'étend de2GHz à 4GHz) (Figure I.26).

Figure I.25 : Caractéristiques en puissance d’un transistor MESFET SiC (0.7 µm × 332 µm) (Vds = 50 V, Ids = 40 mA)(f=850MHz) [Moore’97].


42

Ces transistors fournissent une densité de puissance maximale de 4.6 W/mm à la fréquence de

3.5 GHz [Allen’99]. Une étude comparative effectuée par Cree des différentes technologies

en concurrence à un transistor délivrant 50W à 2GHz avec une température de socle de 85°C,

est représenté sur le tableau I-9. Les meilleures performances en hyperfréquence obtenues

jusqu'à aujourd’hui sont représentées dans le tableau I-10 (Cree.com) [Heckmann’03].

Tableau I.9: Comparaison des caractéristiques attendues pour SiC MESFETs face aux

technologies Silicium et GaAs (Cree.com).

SiC MESFET Si LDMOS GaAs MESFET

PAE % 50 35 50

RF power (W/mm) 2 (4) 0.4 1

Gain (dB) 10 10 12

Taille de la puce(mm) 1 (0.6) 3.1 1.4

Package (mm2) 200(120) 320 300

∆Température (°C) 35(76) 76 47

Figure I.26: Bandes de Fréquence


43

Tableau I.10 : Les meilleures performances et hyperfréquence des transistors MESFETs SiC

(Cree.com) [Heckmann’03].

N.G1 : Northrop Grumann

GE2 : General Electric/ Lockheed Martin

En 2000 CREE a commencé la commercialisation des transistors MEFSETs avec des

performances inférieures à celles estimées au départ. Cette société est la seule pour l’instant

sur le marché. Le tableau I-11 nous donne quelques caractéristiques des quatre MESFETs

différents, disponibles maintenant sur le marché.

Référence du

Transistor

Gamme de

fréquence (GHz)

Puissance de

sortie (W)

Gain (dB) Tension de

fonctionnement (V)

CRF-5003 0.1-1 4 11 28-48

CRF-20010 Jusqu'à 4 12 12 28-48

CRF-27010 2.4-2.7 12 11 48

CRD-37010 3.4-3.7 12 10 48

Tableau I.11 : Quelques paramètres de 4 types de MESFETs commercialisés par CREE.

Fréquence(

GHz)

Type de

composant

Puissance

(W)

Taille

(mm)

Pulse/CW Densité de

Puissance

W/mm

Densité

de

courant

mA/mm

PAE Tension

d’alimentation

(V)

Gain

dB

origine

3.1 MESFET 80 48 CW 1.66 38% 58 7.6 Cree

9.6 MESFET 30.5 12 pulsé 2.54 7.6 Cree

1.3 SIT 268 60 4.46 120 N.G1

3.5 MESFET 1.3 0.25 CW 5.2 63% 50 11 Cree

3 0.25 7.2 48% 70 Cree

3 MESFET 48 8 6 45% 60 10 Cree

3.5 MESFET 36.3 pulsé 21% 55 6.5 Cree

1.8 MESFET 0.9 CW 2.8 300 54 Cree

2.1 MESFET 15 CW 0.83 30 Cree

3 SIT 38 pulsé 1.2 65 90 Cree

10 MESFET 1 0.25 CW 4.3 20% 60 9 Cree

0.5 MESFET 51 21.6 CW 2.65 220 63% 70 12 TRT

0.5 MESFET 62 21.6 pulsé 2.9 40% 50 19 GE2


44

Nous constatons que la structure MESFET permet des applications jusqu'à la bande X

alors que la structure SIT (Static induction transistors) se limite à la bande L mais offre des

puissances extrêmement importantes. Les performances statiques des MESFETs SiC sont

liées principalement au dopage et à l’épaisseur du canal. La tension de claquage dépendant de

l’espacement entre grille et le drain ainsi qu’a des effets de surface [Pengelly’02]. Les SIT ont

des structures verticales contrairement aux structures MESFETs Figure I. 27 :

Les phénomènes de claquage en surface entre grille et drain n’apparaissent pas et

autorisent donc des tensions plus importantes. Par rapport au MESFET SiC où l’épaisseur du

canal est définie par épitaxie, le canal de ces composants est défini par gravure. Le canal étant

plus large, il est nécessaire d’en réduire le dopage. Technologiquement, la réalisation de

structure SIT est donc beaucoup plus délicate.

Des composants MESFETs de type démonstrateur possédant des performances inégalables

dans des technologies Si ou GaAs ont donc été réalisés. Toutefois, nous constatons que

lorsque la taille du composant augmente, afin d’obtenir des niveaux de puissance intéressant

(≥50W), la densité de puissance diminue. Nous notons également que les dispositifs

commercialisées par CREE présentent des caractéristiques bien inférieures à ce qui a été

annoncé. La passivation est l’étape clé pour les problèmes de fiabilité des composants. Nous

allons dans la suite présenter les effets parasites dû à la présence de centres profonds et de

défauts aux interfaces.

I.4.10.2 Les effets de pièges dans le substrat semi-isolant du MESFET SiC

Ces phénomènes ont des constantes de temps relativement importantes. Parmi ces

phénomènes nous citons ceux de ‘Self-backgating’, et de ‘gate-lag’.

Figure I. 27 : Topologies de transistors sur SiC : (a) MESFET, (b) SIT


45

I.4.10.2.1 Effets de ‘Self-backgating’

Pour les MESFETs, ce phénomène (Figure I.28) est lié à la présence de pièges dans le

substrat semi-isolant ou à l’interface substrat/canal. Lors d’une variation rapide du champ

électrique entre le drain et la source, les électrons provenant du canal peuvent être piégés

rapidement dans le substrat. Le substrat proche du canal devient alors chargé négativement.

Ces électrons peuvent être ensuite re-émis avec des constantes de temps plus longues.

L’équilibrage des charges implique alors l’apparition d’une zone chargée positivement à

l’interface canal substrat dans le canal. Le canal est alors momentanément pincé par une

deuxième grille au niveau de cette interface d’où le terme de ‘self-back-gating’.

I.4.10.2.2 Effets de ‘ gate-lag ’.

Lorsque le canal passe rapidement d’un état pincé à un état ouvert, l’effet de ‘gate-lag’

induit un retard quand à la réponse en courant de drain. Ceci est dû aux phénomènes des

pièges présents dans la structure. En fonction de Vgs, certains pièges peuvent capturer ou

émettre des trous de manière transitoire avec une vitesse inférieure à la modulation de Vgs

induisant ainsi un comportement transitoire du courant de sortie.

I.4.10.3 Rôle de la passivation pour le SiC

La surface libre de SiC peut présenter une forte réactivité et les métallisations utilisées pour

la grille et le contact ohmique sont sensibles aux agressions du milieu ambiant. Donc pour le

protéger il est nécessaire de réaliser une passivation. En effet la passivation intervient

directement sur les caractéristiques du composant, en modifiant l’état électrique de la surface.

Figure I.28: Influence sur le courant de la capture des électrons dans des pièges de substrat


46

Mais la passivation des composants basés sur des matériaux grands gaps comme le SiC

nécessite une étude approfondie. Suivant l’application et le matériau, une passivation

adéquate doit être mise au point, répondant aux besoins en termes de protection, fiabilité et

optimisation des performances du composant. En effet, si le matériau de choix reste le SiO2,

nous retrouvons ici le problème posé par la forte densité de pièges à l’interface qui limite la

mobilité du MOS SiC. Ces dernières années l’IEMN, en collaboration avec Thalès ont réalisé

une étude approfondie sur les problèmes de passivation des MESFETs SiC [Kerlain’04].

I.5 Conclusion

Il est aujourd’hui largement admis que les semi-conducteurs à large bande interdite et

en particulier le SiC vont permettre de repousser les frontières atteintes à ce jour dans le

domaine des composants électroniques. Pratiquement tous les types de composants ont été

réalisés à partir de ce matériau. On rencontre, en effet, aujourd’hui, des composants allant des

composants bipolaires aux transistors à effet de champ. Un autre caractère remarquable de ce

matériau réside dans les densités de puissances pouvant être mises en jeu.

Toutefois, la réalisation de composants hyperfréquence de puissance dans la filière

SiC n’est pas à l’heure actuelle suffisamment mature pour être développée industriellement.

Comme nous l’avons évoqué, ceci est du notamment à la présence de défauts électriquement

actifs dans les structures qui peuvent provenir aussi bien du matériau lui-même que des étapes

technologiques nécessaire à la réalisation du composant.

Nous nous attacherons dans la suite, à l’étude de certains dysfonctionnements mal

compris dans les MESFETs SiC et nous expliquerons leur origine à partir de l’état des centres

profonds déterminer dans les structures.

Nous présenterons également une étude similaire du composant concurrent, le HEMT

AlGaN/GaN.


47

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