GaN versus SiC, or GaN with SiC?

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1 GaN versus SiC, or GaN with SiC? Potentialités de développement I can help you! Frédéric MORANCHO, Dominique PLANSON Journées GDR SEEDS - ENS Cachan - 16/17 juin

2 Plan de l exposé Généralités sur les composants grands gap Pourquoi des composants grand gap? Propriétés des matériaux grand gap Performances statiques théoriques Composants GaN et SiC État de l art mondial unipolaires, bipolaires Conclusion et questions ouvertes pour l atelier Modélisation et convertisseur diode JBS transistor JFET convertisseur Technologie substrats epi, dopage, gravure, contact 2

3 Motivation contexte, intérêts pour l électronique de puissance Vers l utilisation de composants haute tension pour réseaux de distribution d énergie électrique Vers une intégration des convertisseurs électriques Vers un transport électrique 3

4 Intérêt des matériaux grand gap Pourquoi des matériaux grand gap? Matériaux intéressants pour leur propriétés électroniques et thermiques : - fonctionnement sur une large gamme de température - champs électriques critiques élevés, - vitesse de saturation des électrons élevée - grande conductivité thermique Applications : - Composants fonctionnant à haute température - Composants haute fréquence - Composants de puissance Environnements sévères Matériaux étudiés - SiC - GaN - Diamant 4

5 Les matériaux grand gap : propriétés électroniques et thermiques Grand Gap E c n i µ λ Composants haute tension, faibles pertes et travaillant à haute température 5

6 Performances statiques théoriques des différents matériaux Si SiC GaN diamant R on.s théorique en fonction de la tenue en tension pour Si, SiC, GaN et diamant G. CIVRAC «Vers la réalisation de composants haute tension, forte puissance sur diamant CVD. Développement des technologies associées» Thèse de Doctorat : 2009, LAAS Limite d emballement thermique en fonction de la tenue en tension pour Si, SiC, GaN et diamant C. RAYNAUD, D. TOURNIER, H. MOREL, D. PLANSON. «Comparison of high voltage and high temperature performances of wide bandgap semiconductors for vertical power devices». Diamond & Related Materials vol.19 (2010)

7 Substrats, épitaxie, technologie SiC Réduction de la densité de micropores Meilleure homégénéité des couches épitaxiées Bâti épitaxie 6 wafers de 100 mm, pour du matériau 6.5 kv 150 mm (6 ) 09/2010 Evolution du diamètre des substrats (Recherche et développement) 7

8 Substrats, épitaxie, technologie SiC Dopage par implantation : - Dopage N par implantation de N maitrisé (mais température de recuit élevée > 1500 C) - Dopage P par implantation (de Al et B) plus difficile. - Dopage in-situ (épitaxie CVD) Gravure sèche : Utilisation de gaz SF 6 /O 2. Métallisation, qualité des contacts ohmiques et Schottky : - Contact ohmique : R c = 10-6 Ω.cm 2 : contact Ni (Al, Ti, AlNi ) sur type N fortement dopé - Contact Schottky : R c = 10-5 Ω.cm 2 : contact TiC (AlNi, Mo, SiAl ) sur type P fortement dopé Hauteur de barrière 1.4 ev et facteur d idéalité 1,3 (Ni, Au, Ti, TiAl). 8

9 Substrats, épitaxie, technologie GaN Substrats : - Saphir (petits diamètres maximum 3 ) --> coût élevé - SiC (petits diamètres maximum 3 ) --> coût élevé - Silicium (4, 6, bientôt 8 ) mais désaccord de mailles important, 150 mm (6 ) notamment entre GaN et Si 1 µm Épitaxies : - Qualité des épitaxies dépend du substrat (désaccord de mailles important, notamment entre GaN et Si) contraintes importantes (mécaniques, thermiques) densités de dislocations importantes épaisseurs limitées (mais en augmentation régulière avec les années) GaN Couches de transition Substrat Si Vue en coupe d un HEMT en GaN sur substrat Si 6 (projet ANR Nano-INNOV/RT ToPoGaN1) 9

10 Substrats, épitaxie, technologie GaN Traitement de surface : - Nettoyage (diverses solutions possibles : KOH, HCl:H 2 O, ) pour éliminer oxygène et carbone à la surface - Rétro-pulvérisation (création d un plasma Ar à l aide d une source RF) Dépôt de diélectrique : - Oxydation thermique impossible donc dépôt de divers diélectriques (SiO 2, Si 3 N 4, HfO 2, Al 2 O 3, nanolaminates HfO 2 / Al 2 O 3, AlN, Ga 2 O 3, ) Projet MOreGaN (LAAS, CRHEA, IMN, LAPLACE) et thèse Elias AL ALAM : Le projet MOreGaN a résidé dans l étude des traitements de surface et de dépôt de SiO 2 sur GaN. Résultats de capacités MOS normalisées pour les procédés étudiés dans le tableau ci-contre. Préparation de surface et procédures de dépôt de SiO 2 continu et pulsé, sur GaN type N 10

11 Substrats, épitaxie, technologie GaN Dopage : - Dopage N par implantation de Si maitrisé (mais température de recuit élevée > 1000 C) - Dopage P par implantation (de Mg) difficile. - Dopage in-situ (épitaxie MOCVD ou MBE essentiellement) Gravure : GaN matériau chimiquement inerte d où gravure sèche (plasma) utilisée mais problème de la qualité des flancs et des fonds des tranchées. Métallisation, qualité des contacts ohmiques et Schottky : Projet G 2 REC (STMicroelectronics, Ommic, Picogiga, Siltronix, LMP, CRHEA) et thèse Olivier MÉNARD : - Contact ohmique : - Contact Schottky : R c = 10-5 Ω.cm 2 : contact TiAl (70/200nm) sur type N fortement dopé Tenues en tension 600 V, hauteur de barrière 1 ev et facteur d idéalité 1,45. 11

12 État de l art mondial des composants SiC Diode Schottky 3300 V/20 A R on-spe = 2.3 mω.cm 2 P. Brosselard et al. High voltage SiC JBS performances versus Schottky diodes, 2007 WASMPE workshop Diode JBS 10 kv/20 A F <4 V) Résistance différentielle C et C Vue en coupe de la diode Brett A. Hull et. al. Development of Large Area (up to 1.5 cm 2 ) 4H-SiC 10 kv Junction Barrier Schottky Rectifiers, Mat. Sci. Forum, Vols , pp 931,934, (2009) 16 puces de 1.5 cm 2 sur wafer 3" 12

13 État de l art mondial des composants SiC Diode V Etat passant V on = 7.5 J on = 100 A/cm² Y. Sugawara et al kV 4H-SIC pin Diodes with Low Power Loss, Proceedings of International Symposium of Power Semiconductors Devices & ICs, 2001, Osaka, pp Cependant : légère dérive du V ON (Stacking Faults! ) Diode V/25A Electroluminescence D. Peters et. al. 6.5 kv SiC PiN Diodes with Improved Forward Characteristics, Mat. Sci. Forum, Vols , pp , (2010). P. Brosselard et. al. 3.3 kv-10a 4H-SiC PiN diodes Mat. Sci. Forum, Vols , pp (2009) 13

14 État de l art mondial des composants SiC Fiabilité de l'oxyde! Etat bloqué V br = V Etat passant R on-spe = 123 mω.cm² S.-H. Ryu et al. «10-kV, 123 mω.cm 2 4H-SiC Power DMOSFETs», IEEE Electron Device Letters, 2004, Vol. 25, n 8, pp V. Veliadis et. al. Design and Yield of 9 kv Unipolar Normally-ON Vertical-Channel SiC JFETs, Mat. Sci. Forum, Vols pp (2011) 14

15 État de l art mondial des composants SiC Thyristor 8 kv/600 A (impulsionnel) 6 mω.cm 2 A.K. Agarwal et al. Large Area >8 kv SiC GTO Thyristors with innovative Anode-Gate designs, Mat. Sci. Forum, Vols pp (2010) Tenue en tension IGBT type-n 13 kv/4 A F <5 V) Résistance spécifique différentielle 22 mω/cm 25 C Mrinal K. Das et. al. "A 13 kv 4H-SiC n-channel IGBT with Low R diff,on and Fast Switching Mat. Sci. Forum, Vols pp (2009) 15

16 Composants commerciaux SiC Diodes 1200V : 5, 10, 20 et 30A Interrupteurs 1200V, R on =50 mω 1200V, R on =45 mω 1200V, R on =80mΩ 1200V, R on =100mΩ 6500V, 80A 16

17 État de l'art mondial des composants GaN Normally-on HEMT / HFET AlGaN/GaN HFET on Si substrate [Ikeda et al. 2008] BV = 1800 V R ON.A = 7 mω.cm 2 AlGaN/GaN HEMT with selective fluoride plasma treatment [Kim et al. 2011] BV = 1400 V (au lieu de 900 V) R ON.A = 2,74 mω.cm 2 I OFF = 9, A I ON /I OFF =

18 État de l'art mondial des composants GaN Normally-off HEMT / HFET Power Tunnel Junction FET [Yuan et al. 2011] BV = 557 V R ON.A = 2,74 mω.cm 2 I OFF = 10-8 ma/mm I ON /I OFF = HEMT with a p-gan gate with carbon-doped GaN buffer [Hilt et al. 2011] BV = 1000 V R ON.A = 0,62 mω.cm 2 18

19 État de l'art mondial des composants GaN MOSFETs Ion-implanted n-channel GaN MOSFET [Chow et al ] GaN-Based Trench Gate MOSFET [Otake et al. 2007] Lateral epilayer GaN MOSFET [Huang et al. 2009] BV = 940 V R ON.A = 30,6 mω.cm 2 I OFF = 10 pa BV = 730 V R ON.A = 34 mω.cm 2 19

20 État de l'art mondial des composants GaN Hybrides MOS / HEMT AlGaN/GaN hybrid MOS-HFET [Kambayashi et al. 2010] BV = 500 V R ON.A = 16,5mΩ.cm 2 Hybrid MOS-HEMT [Tang 2009] BV = 1300 V AlGaN/GaN MOS-HFET [Ykeda et al. 2011] BV = 1210 / 1710 V R ON.A = 7,1 / 11,9 mω.cm 2 20

21 État de l'art mondial des composants GaN Diodes Schottky AlGaN/GaN Schtottky Diode [Yoshida et al. ISPSD 2006] Schottky Barrier Diode -SBD- [Ha et al. 2011] BV = 450 V R ON.A = 4,65 mω.cm 2 21

22 État de l'art mondial des composants GaN Smart Power Integrated voltage reference and comparator circuits for GaN Smart Power chip technology [Wong et al. 2009] 22

23 Composants commerciaux GaN Composants en développement et / ou commercialisation : - HEMTs (applications RF de puissance) - Diodes Schottky (gamme de tenues en tension 200 à 800 Volts) Peu d interrupteurs normally-off : - HEMTs fabriqués par EPC (BV = 40 à 200 Volts, R ON = mω) sur substrat Si 6 Pas encore de composants verticaux en GaN : - Brevets de structures innovantes - Composants verticaux avec substrat GaN beaucoup trop chers! 23

24 Modélisation statique Dynamique (ouverture) Modèle à 2 canaux (vertical et horizontal) R. Mousa et. al. Modeling and High Temperature Characterization of SiC-JFET, To be published in PESC 08 24

25 Convertisseur Kansai Electric and Cree Demonstrate a 100 kva Silicon Carbide Three Phase Inverter 50 kw SiC motor drive modules for hybrid-electric vehicules (600 VDC, 150A, 250 C) 25

26 De nombreux défis à relever : Verrous Technologiques : - Croissance épitaxiale - Traitement de surface - Dopage par implantation ionique, recuit - Gravure - Contacts - Oxyde de grille - Passivation - Packaging haute température, haute tension Simulations : - Paramètrage des modèles - Simulations 3D Caractérisation : - Bancs de test spécifiques (température, longueur d ondes, tension, fréquence, ) 26

27 Questions ouvertes pour lancer le débat Contribution des laboratoires : avancées et faits marquants au cours des dernières années? Domaines privilégiés des deux semiconducteurs? Le GaN est-il cantonné aux applications basse tension? Quid du packaging haute température et haute tension? Composants GaN verticaux possibles? Convertisseurs à base de composants normally-on et normally-off grand gap (driver). Fiabilité des MOSFET SiC? Et sur GaN? Applications des industriels? Autres questions? 27

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