Chapitre 1. Les composants de puissance en SiC

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1 Chapitre 1 Les composants de puissance en SiC Ce chapitre décrit les propriétés électriques du carbure de silicium et montre les avantages d'employer le SiC à la place d'autres matériaux semiconducteurs. Nous décrirons la structure de base de chaque type de diode de puissance, ainsi que le principe de fonctionnement et la situation actuelle des diodes SiC de forte puissance. Ensuite, nous énumérerons les techniques de protection périphérique permettant d accroître la tenue en tension des diodes de puissance. Puis nous terminerons par la présentation de la diode PIN SiC étudiée dans ce mémoire. 1.1 Propriétés électriques du SiC Le carbure de silicium appartient à la classe des matériaux généralement désignés sous le nom de semiconducteurs à grand Gap. Ceci signifie que l'espace d'énergie, dit interdit (ou Gap) entre la bande de valence et la bande de conduction est plus grand que pour le silicium. Il implique par exemple, qu'il est moins probable que les électrons thermiquement excités franchissent le Gap. Parmi les nombreux polytypes de SiC, le 4H-SiC est le plus attrayant dû à la mobilité de porteurs plus élevée. Certaines des propriétés électriques des polytypes SiC comparées à quelques autres semiconducteurs sont énumérées dans le tableau 1.1. Le silicium (Si) et l'arsenic de gallium (GaAs) sont des semiconducteurs traditionnels. Le nitrure de gallium (GaN) et le diamant (C) sont comme le SiC également considérés comme futurs matériaux semiconducteurs de puissance. THESE - Damien Risaletto

2 Propriétés Si GaAs 3C-SiC 4H-SiC 6H-SiC GaN C Bande interdite (ev) Champ critique (MV/cm) Vitesse saturation (x10 7 cm/s) Mobilité (cm 2 /V.s) 1,12 1,42 2,3 3,26 2,96 3,4 5,45 0,2 0,4 2 3,5 2,4 3,3 5, , ,5 2,7 Electron Trou Concentration intrinsèque (cm -3 ) Constante diélectrique relative Conductivité thermique (W/cm.K) ,5x ,1x10 6 6,9 8,2x10-9 2,3x10-6 1,6x ,6x ,9 12,8 9,6 10 9,7 8,9 5,5 1,5 0,5 4,9 4,9 4,9 1,3 20 Tableau 1.1 : Comparaison des propriétés électriques des matériaux semiconducteurs de puissance (Si et GaAs) et les matériaux semiconducteurs à grand gap (SiC, GaN et diamant). La concentration en porteur intrinsèque n i est déterminée par l'énergie de la bande interdite E G, ainsi que la densité effective de la bande de conduction N C et de valence N V. La concentration en porteur intrinsèque est définie comme : E G 2kT i( ) = NCNVe n T (1.1) La concentration intrinsèque augmente avec la température, lorsqu elle dépasse le dopage de la région faiblement dopée le composant ne peut plus fonctionner. La très petite concentration intrinsèque du SiC lui confère un faible courant de fuite même à température élevée. Le SiC a un champ électrique critique E C environ dix fois plus grand que celui du silicium, la tension de claquage pour une diode plane NPT de largeur infinie est donnée par: V B EW qn = = B 2 2ε C B D 2 W (1.2) THESE - Damien Risaletto

3 Pour la même tension de claquage, l épaisseur de la région de désertion W B sera environ 10 fois plus mince que pour le silicium, et le dopage N D sera environ 100 fois plus élevé. Il en résulte une diminution importante de la résistance spécifique (Equation 1.3). Il faut cependant prendre en compte la mobilité des électrons et la constante diélectrique inférieure dans le SiC, l'avantage en terme de résistance spécifique correspond à un rapport situé entre 300 et 800 en faveur du SiC. R ON = W 4V qµ N = B εµ E (1.3) 2 B 3 n D n C La montée en fréquence est favorisée par une vitesse de saturation deux fois plus élevée des porteurs dans le SiC, ce qui augmente la rapidité de commutation. La constante diélectrique plus faible diminue la capacité de jonction et donc réduit les pertes en commutation. La conductivité thermique élevée du SiC permet une évacuation plus aisée de la chaleur, donc en principe autorise des densités de puissance plus élevées par rapport au silicium et au GaAs. Après avoir comparé les caractéristiques électriques des matériaux semiconducteurs de puissance, nous allons énumérer les avantages et les points faibles des composants SiC face aux composants silicium. Avantages - Les composants de puissance en SiC ont des tensions de claquage maximales plus élevées en raison de leur champ électrique critique plus important. Par exemple les diodes Schottky silicium commercialisées ont typiquement une tenue en tension inférieure à 300V, alors que les diodes Schottky SiC commercialisées possèdent actuellement un calibre en tension de 1200V. - Pour les composants unipolaires de calibre en tension identique, les composants de puissances en SiC ont une résistance spécifique plus faible, car la zone de tenue en tension est plus mince et plus dopée. Ainsi les pertes en conductions sont plus faibles. - Les composants bipolaires en SiC ont un courant de recouvrement moins important, réduisant ainsi les pertes en commutation. THESE - Damien Risaletto

4 - Avec la réduction des pertes en commutation un composant bipolaire SiC peut fonctionner à plus hautes fréquences (jusqu'à 20MHz) que les composants en silicium. - Le SiC a une conductivité thermique plus élevée et donc profite d un meilleur refroidissement. - Le SiC peut être utilisé à haute température. Les composants SiC fonctionnent jusqu à 600 C, tandis que ceux en silicium peuvent fonctionner à une température de jonction inférieure à 150 C. Inconvénients - La tension de diffusion de l ordre de 3V rend moins intéressante l utilisation du SiC dans la gamme des composants bipolaires (diodes PIN et thyristors) de moyenne tension (U<1000V). - Le prix des composants SiC est élevé à cause de la difficulté d élaboration du cristal et des bas rendements de fabrication due aux nombreux défauts : le prix d une diode Schottky SiC 600V 4A est de 7$, alors que celui d une diode PIN silicium du même calibre est inférieur à 1$. - La disponibilité des composants est limitée car encore peu sont commercialisés. - Les boîtiers de composants haute température n ont pas encore été développés, donc les composants SiC encapsulés ne peuvent pas être utilisés à haute température. Beaucoup d inconvénients sont normaux en considérant que la technologie du SiC n'est pas encore totalement mature. Le SiC rend possible l électronique de puissance, pour les applications hautes tensions et hautes températures. D autre part les faibles pertes en conduction des diodes Schottky SiC améliorent le rendement, ce qui est déjà intéressant dans le domaine de la basse tension (<1200V) à haut rendement. 1.2 Les diodes de puissance en SiC Les diodes sont les plus simples semiconducteurs et sont utilisées dans presque tous les convertisseurs de puissance. Deux types de diodes sont utilisés: les diodes bipolaires (PIN) et les diodes Schottky. Pour les convertisseurs de faible tension les diodes THESE - Damien Risaletto

5 Schottky sont préférées car elles sont plus rapides que les diodes PIN, elles ont une chute de tension à l état passant plus faible et de plus faibles pertes en commutation. Cependant pour les applications de plus forte tension (>300V), les diodes Schottky en silicium sont peu utilisées, car leurs courants de fuites se dégradent vite. Dans ce cas des diodes bipolaires sont préférées. Les premières diodes Schottky SiC commercialisées possédaient une tenue en tension de 600V. Puis avec la maturation de la technologie SiC sont apparues les diodes Schottky 1200V, ce qui permet de remplacer les diodes PIN en silicium du même calibre en tension. Il existe un troisième type de diodes de puissances SiC appelé JBS. Ces diodes ne sont pas employées dans l industrie car elles sont encore au stade expérimental. Cette technologie combine 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) La diode PIN Une diode PIN est fabriquée par l association d une région semiconductrice de type P (ions accepteurs) et d une région semiconductrice de type N (ions donneurs). Pour les composants de forte tenue en tension, la région de type N est divisée en une région fortement dopée N + et une région faiblement dopée N - tel qu il est représenté sur la figure 1.1. La région N - est appelée «base» ou «région centrale». THESE - Damien Risaletto

6 Anode métallisation P + N - base N + métallisation Cathode Figure 1.1 : Structure d une diode bipolaire de puissance. Lorsque la diode est polarisée en direct, les ions de la région fortement dopée N + vont fournir des électrons et celle de type P + des trous. A la jonction de la région P + et N - les électrons vont se recombiner avec les trous qui se sont déplacés de P + par diffusion. La forte diffusion supprime la neutralité électrique de chacune des régions. Appauvrie en trous, la partie de région P + située juste au dessus de la jonction se charge négativement part la présence des ions accepteurs fixes, tandis que la région N - située immédiatement en dessous de la jonction se dégarnit en électrons libres et se charge positivement. Le phénomène de diffusion entraîne donc l apparition d une ZCE. Le champ électrique interne créé par les atomes ionisés s oppose à l extension du phénomène de diffusion : il a tendance à repousser vers la région P + des trous en provenance de la région N -, et inversement pour les électrons libres. Il résulte du mouvement des porteurs majoritaires un courant de diffusion, somme des courants des électrons libres et des trous. Tous les trous diffusant dans la région N - ne pouvant pas s y recombiner instantanément, il y a au voisinage de la ZCE dans la région N - un excédent de charges positives qu on appelle charge de diffusion, ou charge stockée. Cette charge résulte directement de l injection du courant de diffusion des trous à travers la jonction. Ce phénomène est identique pour les électrons dans la région P +. Il y a donc simultanément une charge stockée dans la région P + et une charge stockée dans la région N -. L existence de ces charges stockées a une importance considérable en régime transitoire, et explique notamment qu une diode ne puisse pas passer instantanément de l état conducteur à l état bloqué. Il faut un certain temps pour que THESE - Damien Risaletto

7 disparaisse la charge stockée totale : le temps pendant lequel la jonction PN peut conduire en inverse. Quand une tension inverse est appliquée, les trous de la région P + et les électrons de la région N + vont s écarter de la jonction pour empêcher l écoulement du courant. Dans l état d équilibre, le courant de fuite a principalement (à température pas trop élevée) pour origine la génération thermique. La ZCE s agrandit avec l augmentation de la tension appliquée, faisant ainsi croître le champ électrique maximal. Quand la ZCE devient supérieure à l épaisseur de la base il y a percement de la zone centrale. Lorsque le champ électrique devient suffisamment important, les porteurs accélèrent dans la ZCE et acquièrent de l énergie pour ioniser les atomes du réseau et ainsi créer des paires électron-trou, qui accélérées à leur tour peuvent provoquer l ionisation d autres atomes. Ce phénomène est appelé la génération par ionisation. Le claquage par avalanche survient lorsque le phénomène de multiplication s emballe, le courant de fuite tend théoriquement vers l infini. La tension de claquage est déterminée pour une valeur de courant de fuite donnée. La tension de claquage dépend de l épaisseur de la base, ainsi que de la valeur de son dopage. Il est nécessaire d effectuer un compromis entre la tenue en tension et une faible chute de tension à l état passant. Dans la pratique la profondeur de la base et son dopage sont situés dans la région de coude (Figure 1.2). THESE - Damien Risaletto

8 Figure 1.2 : Simulation de la tension de claquage en fonction de la concentration et de l épaisseur de la zone centrale d une diode PIN en SiC-4H. Zone encerclée : compromis entre V BR élevée et R ON faible. V BR est définie par le coefficient d ionisation par impact. La diode est considérée comme infiniment plane. En raison de leur nature bipolaire, les pertes en conduction d'une diode PIN diminuent quand la température augmente. Il n existe pas encore de diode bipolaire SiC commercialisée. Les composants actuels sont des prototypes de laboratoire. Une diode bipolaire réalisée a un calibre en courant de 50 A, avec une tension de claquage de 10 kv [DAS-04]. La tenue en tension la plus importante d une diode PIN SiC réalisée est de 19 kv [SUGA-01] La diode Schottky Une diode Schottky est formée par une jonction métal-semiconducteur visible sur la figure 1.3. C est pourquoi cette diode est plus simple que la diode PIN, et actuellement c est le plus simple de tous les composants à semiconducteur. Bien que la forme la plus commune des diodes Schottky soit formée par la jonction métal et semiconducteur de type N, d'autres constitués par une jonction métal et semiconducteur de type P sont également employées. THESE - Damien Risaletto

9 Anode métallisation N - N + métallisation Cathode Figure 1.3 : Structure d une diode Schottky de puissance. La différence de concentration en porteurs des deux matériaux (métal et semiconducteur N - ) crée une barrière de potentiel dans la jonction. Puisque le semiconducteur et le métal sont de type N, le courant de conduction implique seulement des porteurs majoritaires (électrons) sans injection de porteurs minoritaires, donc sans stockage ou recombinaison. C'est parce que les électrons du semiconducteur de type N entrent du côté du métal, où les électrons sont en abondance, qu ils deviennent une partie intégrante du métal. Par conséquent il n'y a aucun stockage de charges dans la jonction. Puisqu'il n'y a aucune conduction de porteurs minoritaires dans une diode Schottky, il n y a pas de recouvrement dans la caractéristique au blocage. Ainsi le temps de mise en conduction est presque nul, et le temps de blocage implique seulement le temps de transition qui dépend de la capacité parasite, et non pas du temps de recombinaison des porteurs minoritaires. Pour cette raison les diodes Schottky sont parfaitement adaptées aux applications de commutation haute fréquence. Le comportement au blocage de cette diode peut également être attrayant par les faibles pertes en commutation. La tension de seuil des diodes Schottky est plus faible du fait que la hauteur de barrière Schottky est inférieure à la hauteur de barrière d une jonction PN qui est proche du gap. Pour bloquer les courants de fuite en inverse, des anneaux de gardes dopés P peuvent être employés, mais forment des diodes PN parasites. En raison des avantages des diodes Schottky par rapport aux diodes PIN, elles sont préférées pour des applications de puissance. Cependant à cause de leur plus faible gamme de tension actuelle, elles sont surtout utilisées dans des applications basse tension. Le courant de fuite des diodes Schottky est supérieur aux diodes PIN, ce qui THESE - Damien Risaletto

10 augmente les pertes à l état bloqué, et limite la tenue en tension. Ceci change avec la commercialisation des diodes Schottky SiC de plus fort niveau de tension. Il existe plusieurs modèles qui diffèrent par leur calibre en tension et en courant, nous pouvons citer comme exemple les diodes répertoriées dans le tableau 1.2. Vendeur Référence Calibre en tension Calibre en courant Microsemi UPSC V 1A Infineon SDT10S30 300V 10A Infineon SDP06S60 600V 6A La diode JBS CREE CSD V 10A Tableau 1.2 : Diodes Schottky SiC commercialisées. La diode JBS aussi appelé MPS consiste à implanter des zones dopées P + dans une diode Schottky (Figure 1.4). Anode P + P + métallisation N - N + métallisation Cathode Figure 1.4 : Structure d une diode JBS de puissance. Une section transversale d'une diode JBS fonctionnant en polarisation directe et inverse est montrée sur la figure 1.5. La zone hachurée de la figure 1.5 (a) représente le courant traversant la diode JBS à l état passant, tandis que les pointillés de la figure 1.5 (b) délimitent les zones de désertion de la diode à l état bloqué. THESE - Damien Risaletto

11 P + P + P + P + N - N - N + N + (a) (b) Figure 1.5 : Courant à l état passant (a) et zone de déplétion à l état bloqué (b) d une diode JBS. Pour une tension directe inférieure à 3V seulement les régions Schottky de la diode JBS SiC conduisent. La chute de tension à l état passant du composant est déterminée par la résistance de la région N -, la hauteur de barrière du métal Schottky, et l aire relative entre la région Schottky et les régions implantées P +. La hauteur de barrière du métal Schottky doit être assez basse pour obtenir une faible chute de tension à l état passant. A mesure que la polarisation inverse augmente, les régions de désertion adjacentes aux régions implantées P + pincent le courant de fuite provenant des contacts Schottky du composant. Le courant de fuite dans les régions Schottky se produit en raison de l abaissement de la barrière Schottky à la jonction métal-n -. La présence des régions implantées P + réduit le champ électrique à la jonction métal-n -. La diode JBS est soumise à un compromis entre la valeur de la tension à l état passant et le courant de fuite. Les paramètres de conception qui affectent ce compromis sont : - l aire relative de la région implantée P +, - la géométrie et la disposition (en bordure ou réparties le long de la région Schottky) des régions implantées P +. Une importante aire implantée P + a comme conséquence l augmentation de V F en raison d'une plus petite aire conductrice, mais réduit le courant de fuite due à un pincement plus efficace de la région Schottky. Un bon compromis correspond à une surface de région Schottky représentant la moitié de la surface totale implantée P + [SING-00]. La courbe caractéristique en inverse de la diode JBS et beaucoup plus semblable aux diodes PIN qu aux diodes Schottky. La diode JBS montre une grande rapidité de THESE - Damien Risaletto

12 commutation au blocage et un faible recouvrement résultant de la capacité de jonction des régions de déplétion [LAI-01]. Les diodes JBS possèdent un coefficient de température positif, ce qui fait croître les pertes en conduction avec l augmentation de température, alors que les pertes en commutation diminuent. Actuellement il n existe pas de diodes JBS SiC commercialisées. Les prototypes les plus performants réalisés ont un calibre de 1500V-4A [SING-00] et 1200V-15A [LAI-01]. 1.3 Protection périphérique des diodes Les protections périphériques sont utilisées dans la conception des diodes de puissance pour augmenter la tenue en tension. Elles consistent à éviter le resserrement des équipotentielles en bordure de la jonction du composant, afin de diminuer l amplitude du champ électrique qui apparaît à la périphérie. En comparant les figures 1.6 et 1.7 nous pouvons visualiser l effet d une protection périphérique JTE sur la répartition des lignes de champ électrique d une diode bipolaire de puissance. THESE - Damien Risaletto

13 P + N - N + Figure 1.6 : Simulation MEDICI 2D des équipotentielles d une diode PIN sans protection. P + JTE N - N + Figure 1.7 : Simulation MEDICI 2D des équipotentielles d une diode PIN protégée par JTE. Sans protection périphérique la tension de claquage serait très faible comparée à la tension de claquage en volume. Il existe plusieurs techniques de protection, mais les plus couramment utilisées par les concepteurs de part leur simplicité de réalisation et leurs efficacités, sont les structures THESE - Damien Risaletto

14 Mesa, JTE et les anneaux de garde. La littérature rapporte d autres techniques de protection de diodes plus originales telle que la plaque de champ. Il est possible d effectuer des combinaisons de ces types de protections périphériques, la plus fréquemment utilisée est la protection MESA + JTE [SUGA-01]. De nombreux travaux ont été réalisés au CEGELY pour l amélioration de la tenue en tension des diodes en carbure de silicium. Il a été démontré l efficacité des protections de type Mesa [PLAN-94]-[LANO-97] et JTE [ORTO-97]-[ISOI-01]. Nous présentons les principales techniques de protections périphériques appliquées à une diode bipolaire. Le principe reste identique pour les diodes Schottky, mais dans ce cas la protection s applique à la jonction métal-semiconducteur. h α anode P + N l anode h P P + P N N + N + cathode Mesa cathode JTE l anode anode SiO 2 P + N N + cathode Plaque de champ P P P + P P N N cathode Anneaux de garde Figure 1.8 : Représentation schématique des principales techniques de protection d une diode PIN. La Mesa : La jonction est terminée par une gravure qui est définie par sa profondeur et l angle de gravure. La matière enlevée par la gravure vient modifier l équilibre des charges et apporte ainsi une redistribution des équipotentielles plus étalée lors de la polarisation inverse. L angle α et la profondeur de gravure h de la base influence la tenue en tension. THESE - Damien Risaletto

15 La protection JTE Cette technique appelée JTE consiste à venir prolonger la région la plus fortement dopée par une poche ayant le même type de dopant, mais avec un niveau de dopage plus faible. Cette zone faiblement dopée que l on appelle plus communément «poche», est définie par son extension l, sa profondeur h et sa dose d impureté implantée. La protection par anneaux de garde Le concept de cette technique s apparente à la JTE sauf que l on ne réalise pas une seule zone comme dans le cas de la JTE mais plusieurs, séparées entre elles par une distance appelée anneaux de garde. Ces anneaux ayant un potentiel flottant, l optimisation consiste à déterminer la distance inter anneaux et le nombre d anneaux permettant un bon étalement des équipotentielles. La protection par plaque de champ Cette protection repose sur un effet électrostatique. Il s agit de prolonger le contact du dispositif sur une couche d oxyde (SiO 2 ). Le potentiel du contact via l oxyde agira sur la répartition des charges en périphérie. La tenue en tension est surtout dépendante de la longueur de métallisation d anode en regard avec la couche active, ainsi que de l épaisseur d isolant. 1.4 Diode étudiée Dans l ensemble de la thèse nous nous intéressons à la caractérisation électrique d un prototype de diode PIN SiC non encapsulé (Figure 1.9). Cette diode possède une tenue en tension théorique de 5kV dans un milieu isolant de type SF6, et un calibre en courant de 230mA sous 5V. Elle est bondée sur des plots en bordure du support afin de faciliter son utilisation dans un circuit de caractérisation. THESE - Damien Risaletto

16 cathode anode fils de bonding cathode anode Figure 1.9 : Photographie du prototype de diode PIN SiC étudié. Les caractéristiques technologiques de cette diode sont données par le constructeur. La région faiblement dopée N - à une profondeur de 39µm pour une densité de dopants N D =1.1x10 15 cm -3, tandis que celle des régions fortement dopées vaut : N + =5x10 18 cm -3 et P + =4.5x10 19 cm -3. Cette diode possède un diamètre de 950µm et comporte une protection périphérique JTE représentée par les poches dopées P - sur la figure mm 950µm 250µm P - P + P - 1µm N - 39µm N + 332µm Figure 1.10 : Représentation en coupe de la diode PIN SiC étudiée. THESE - Damien Risaletto

17 La diode étudiée possède la surface la plus importante des diodes du même lot, ce qui lui permet d avoir le plus grand calibre en courant. Nous avons constaté que les diodes de faible surface possèdent la plus grande tenue en tension. Il semble que la surface importante de cette diode corresponde à un plus grand nombre de défauts (bien connus liés à la qualité du matériau) dans le substrat de la région faiblement dopée. Ils sont à l origine de la différence entre la tenue en tension théorique de 5kV (Figure 1.2) et la tension de claquage mesurée à 750V dans l air (Figure 3.14). 1.5 Conclusion Le choix d un type de diode dépend de nombreux paramètres du composant tel que la tenue en tension, la densité de courant à l état passant, la densité de courant inverse acceptable, la température de fonctionnement et la fréquence de commutation. Dans chacun de ces domaines les diodes de puissance en SiC sont plus performantes que les diodes en silicium. Leur calibre en tension nettement supérieur permet de simplifier les circuits en limitant la mise en série de composants. La grande stabilité en température et la bonne conductivité thermique permet de réduire la taille du système de refroidissement, ainsi que fonctionner dans un environnement haute température. La faible résistance à l état passant et la réduction des pertes en commutation améliore le rendement du système. Enfin la densité de courant élevée et la possibilité de fonctionner à haute fréquence permettent de réduire les dimensions des composants semiconducteurs ainsi que les capacités et les inductances du convertisseur. THESE - Damien Risaletto