LES MATÉRIAUX EN GÉNIE ÉLECTRIQUE " Ill'

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1 Dossier LES MATÉRIAUX EN GÉNIE ÉLECTRIQUE " Ill' Etat de l'art du carbure de silicium dans le domaine de l'électronique de puissance Mots clés SiC, Épitaxie, Interrupteurs, Électronique de puissance. Par G. Verneau, M. Coyaud, J-C. Crébier, C. Schaeffer Laboratoire d'électrotechnique de Grenoble, CNRS UMR 5529 INPGIUJF Cet article dresse un état de l'art actuel des filières technologiques du carbure de silicium et des différents prototypes d'interrupteurs SiC pour l'électronique de puissance, domaine où ce matériau devrait permettre des améliorations notables.. Présentation du matériau SiC Le SiC, matériau à grand gap, existe dans plus de 70 polytypes. Pour les applications électroniques, ce sont le cubique 3C, les hexagonaux 4H et 6H, ainsi que le rhomboédrique 5R, différenciés par l'empilement des couches atomiques. Le SiC possède bon nombre d'aspects intéressants (Tab. ) : haute conductivité thermique, champ électrique critique élevé, dureté mécanique élevée, excellente résistance aux attaques chimiques, haute tolérance à la température... Ceci fait de lui un successeur idéal du Si. 2. Procédés technologiques 2.. Élaboration du substrat SiC [2] Les lingots monocristallins semi-conducteurs voient leur croissance effectuée à partir d'un tirage de cristal ou à partir de solidification de dépôts de mélanges de semiconducteurs. Mais la thermodynamique du SiC rend ces L'E S S E JV T E L. En Électronique de Puissance (EP), la conversion d'énergie Inct est assurée nceiirio par nnr des riec composants rnmnncnntc à Qsemi-conducteur. En silicium, ces composants ont quasiment atteint leurs limites de performances, établies par les paramètres fondamentaux du matériau (champ électrique de claquage).. Le carbure de silicium (SiC), possède des caractéristiques (électriques, thermiques) qui devraient permettre des améliorations cruciales de ces performances.. La première partie dresse l'état de l'art actuel des différents procédés technologiques (crista!! ogenèse, épitaxies). La seconde partie résume l'avancement pour différents interrupteurs : diodes PIN et Schottky, transistors bipolaires, MOSFETs, JFETs, et thyristors GTO. méthodes impossibles (péritectique à 2800 C pour une pression totale de 05 Pa), notamment pour des productions industrielles de SiC monocristallin. Aussi, la croissance de tels lingots SiC est basée sur une modification de la méthode de sublimation originale du SiC initialement développée par Lely, et améliorée plus tard comme technique de sublimation par dépôt par Tairov et Tsvetkov. Cette dernière méthode, plus généralement appelée PVT (Fig. ), a été récemment améliorée pour produire des lingots plus larges, et de nombreuses variantes de ces techniques existent. La croissance de cristal SiC à F= K s'effectue par transport d'espèces moléculaires (Si2C, Si, SiC2) en phase de sublimation à travers un gradient de température, dont résulte un dépôt sur un germe monocristallin de SiC d'orientation choisie, maintenu à basse température. Mais la fabrication de cristaux de large diamètre et de haute qualité nécessite une conception fine du système et une distribution optimisée des températures dans le réacteur. Les polytypes 4H et 6H sont maintenant disponibles SYNOPSIS. Silicon semiconductor devices for energy conversion in power electronics applications have just about reached their performance limits, set by basic material parameters (electrical breakdown field).. The electrical and thermal characteristics of silicon carbide (SiC) hold considerable promise for performance improvement.. This article begins by outlining technological processes (crystallogenesis, epitaxy) then goes on to discuss progress in various types of switch : PIN and Schottky diodes, bipolar transistors, MOSFETs, JFETs and GTO thyristors. 2L) 03

2 Propriété\Matériau SiC 4H SiC 6H GaN Si AsGa A'203 AIN Conductivité thermique (W/cm.K) 4,9 4,9,3,3 0,5 0,3 2,0 Bandgap (ev) 3,2 3,0 3,44,2,42 >8,5 6,2 Champ de claquage (MV/em) 2 2,5 3,3 0,3 0,4 - - Dopages possibles n, p n, p n, p n, p n, p Isolant Isolant Vitesse de saturation des électrons (07 nl/s) 2,0 2,0 2,7,0 2,0 - - Mobilité des électrons (CM2/VS) Constante de cristal (a) 3,073 3,08 3,89 3,84 4,00 2,747 2,5 Tableau J, Propriétés des substrats à grand gap []. Méthode Conditions Points clefs Cinétique Réf. VPE = Vapor Phase Epitaxy 'C Croissance off-axis 0 pm/h [4, 5 Dopages -n et p de 0 " à 0 9 cm--. HWE = Hot Wall Epitaxy 'C Enceinte horizontale en graphite enrobé chauffée 30 pm/h [6 par induction ; Stabilité d'environnement (>30 h) : Faibles niveaux de dopage. Sublimation 'C Proximité matériau source/wafer 400 pm/h [7] Vitesse de croissance élévée (mais apparition de défauts). LPE = Liquid Phase Epitaxy - Dopages -n et -p de () 6 à () 20 CM--l 50 tm/h [8 Remplissage des micropipes par croissance équilibrée. HTCVD = High Température IC Méthode basée sur le dépôt CVD 0,8 mmlh 9 Chemical Vapor Deposition Géométrie verticale inversée ; Réalisation de substrats ou d'épitaxies Tableau 2. Techniques d'épitaxie. Migration des espèces SiC. Si. sic, A Température r--ctf' f t i -_. Couvcrd C'ouvcrcl 2 Spi,e IF.,-. Q. 2SpIreHP 3SourcL- - r `l I ic,, J 4CrCUW '.-..'II,'u "-!.)!''''StsohiiU 5 SttJltl lsoli,,it rj!'ji',i I',) C Ô ÔOelntt W I ittt ; \2' ee s (I ; Figure]. Principe de croissance PVT (Physical Vapor Transport). en diamètre de 75 mm. Les défauts dans ces substrats (Fig. 2) sont de type «low angle grain boundaries» (problème résolu ces dernières années, permettant d'étendre la méthode PVT à des substrats monocristallins de diamètre 00 mm), et des «micropipes» (dislocations vissées). Ces derniers étant l'obstacle majeur à la commercialisation de composants SiC, leur origine et leur élimination font l'objet de nombreuses recherches Techniques d'épitaxie Les implantations effectuées directement dans le substrat SiC s'avèrent de mauvaise qualité électrique ; la diffusion des dopants est de plus irréalisable, en raison des très hautes températures requises. Aussi, la croissance par épitaxie est un des points majeurs pour la réalisation de couches SiC actives des composants. Plusieurs techniques existent pour réaliser des couches épitaxiées sur SiC. Le meilleur choix à ce niveau, visant des techniques de production de masse à faible coût, est l'épitaxie phase vapeur (Vapor Phase Epitaxy). Elle est réalisée en alimentant un monocristal de SiC chauffé avec des gaz contenant du Si, et d'autres du C. Plusieurs géométries de réacteurs ont été testées sur la qualité du matériau obtenu. De manière générale, le wafer est placé sur un suscepteur en graphite enrobé ou en métal, chauffé par induction à T = 'C, dans un ambiant d'h2 diminuant. Le principal progrès est l'utilisation de substrats «off axis». Cette méthode de croissance par avancées de marches (Fig. 3) permet d'opérer à des températures inférieures ( CC), et d'obtenir de manière répétitive des couches d'épitaxie de qualité. Ces marches présentes en surface servent de descripteurs pour la réplication du polytype fondamental. La croissance verticale intervient grâce à la croissance latérale des marches. Il est possible de doper type -n (N, P et As) et type -p (B, Al, Ga) durant l'épitaxie VPE, en atteignant des niveaux sur 4H et 6H allant de 04 à 09 CM-3@ malgré plusieurs problèmes (compétition site-épitaxie, effet mémoire jouant sur le contrôle des porteurs d'impureté, autodopage). Cela permet d'obtenir des épaisseurs relativement uniformes (de l'ordre de 99 % sur wafer 3 pouces) ; l'uniformité de dopage est quant à elle plus problématique (85 à 90 % sur 2 pouces). Les vitesses de croissance sont de l'ordre de 0 pm/h. Le tableau 2 présente un comparatif des différentes méthodes d'épitaxie. O,t,b, 20C) 3

3 Dossier LES MATÉRIAUX EN GÉNIE ÉLECTRIQUE, '' ; f, '' - _..... a. a s. s " s-? wa ".. k ` y, a r,..'#. ; iÿ F S$ C._....,... x ".-. ge.0. : fi ; I,,t, i ;.. ;. i ', i i,,. j.w :.' Figure 2. Défauts de type «low angle grain boundaries» «a) sans et (b) avec optimisation de process), et «micropipes» [3]. Initial wafer top surface Surface Steps (Offli) Basal PlaneP! (a) (000) Basal Plane Grow hlow Growth Mesa F.4 Direction : F (b) il Bottom of wafer Figure 3. Principe de croissance par avancées de marches. Mplanked Edge Terrnination?, Bamier! earrier Anode fflffl..- -,=, Il 7= N- Coliector Collector Orïft Drift Regian Region M-Epttayef,l (&hode Cathode Figure 4. Diode Schottky et Diode PIN. 3. Composants d'électronique de puissance en SiC Nous décrivons ici les progrès les plus récents des composants SiC : les diodes (PIN et Schottky), les transistors (JFET, MOSFET, transistor bipolaire) et les thyristors. 3.. Diodes PIN et Schottky [0] La diode Schottky SiC est préférée pour des applications de commutation HF pour ses faibles pertes en commutation (composant unipolaire), devient plus compétitive mais la diode PIN SiC à plus haute tension, en raison de la modulation de conductivité diminuant la résistance à l'état passant (Fig. 4). Même si les diodes PIN SiC montrent des pertes en commutation, celles-ci restent bien inférieures à celles de diodes PIN Si. Récemment, des Schottky en SiC pouvant bloquer jusqu'à 5 kv ont été réalisées, pour une chute de tension de l'ordre de V. Une diode PIN capable de bloquer 9 kv, avec une chute de tension de 6,5 V à 00 A/CM2 a été présentée MOSFETs La structure UMOSFET (Fig. 5) en tranchée est la plus ancienne, et a fait l'objet de plusieurs améliorations, notamment pour l'oxyde de grille. La structure planar DMOSFET Oc,,,b,e 2003

4 Gate Gate N- Dhft Région N. p Base p Basé - iit N+ N+... N+Substrate Dr.in Dt3.! n Dru Df3! n Figure 5. Structure planar DMOSFET et en tranchée UMOSFET [] Il. case t I7 Base N-, 8l, ZO P. Colrectnr Figure 6. Structures JFET et transistor bipolaire. (Fig. 5) est quant à elle plus difficile à réaliser, en raison de la double implantation inhérente à son fonctionnement. De plus, la mobilité des porteurs de la couche d'inversion est dégradée dans ces deux structures. Des travaux sur les recuits sous oxyde d'azote permettent d'atténuer cet effet. Un prototype UMOSFET tenant 400 V avec une résistance carrée de 5,7 mç-em2 a été démontré, conduisant à un facteur de mérite de 25 MW/cm2, 25 fois supérieur à la limite théorique des MOSFETs Si. Plusieurs variantes (SIAFET, ACCUFET) existent et soulignent les qualités du SiC pour ce type d'interrupteurs JFETs, transistors bipolaires et thyristors GTO La structure JFET évite de nombreux problèmes technologiques (mobilité de canal, claquage d'oxyde), mais présente le défaut d'être un composant Normally On (Fig. 6). Il faut alors utiliser ce composant en cascade avec un MOSFET Si. Dans ce cadre, plusieurs fabricants (Siemens, Kansai/Cree) présentent des résultats avec des facteurs de mérite comparables aux MOSFETs Si du commerce. Le transistor bipolaire évite lui aussi ces problèmes technologiques, et présente de plus l'avantage d'une faible résistance à l'état passant en raison d'une modulation de la conductivité. Un prototype avec une tenue en tension de,8 kv en base ouverte et de 2,2 kv en court-circuit baseémetteur, et une résistance carrée de 7 mçcm2 a été réalisé, présentant un facteur de mérite de 463 MW/cm2, le plus haut jamais obtenu sur SiC. Les thyristors GTO restent quant à eux réservés à des applications haute puissance, et présentent des performances en tension de l'ordre de 3 kv, et de la dizaine d'ampères. 4. Conclusion Les substrats SiC ont démontré : y des diamètres de substrats jusqu'à 00 mm ; y des impuretés résiduelles de l'ordre de 05 cm-3 ; y une conductivité thermique approchant 5 W/cm.K ; y des densités de micropipes minimales de 0,9 cm-2 sur des wafers 4H 2 pouces. L'épitaxie SiC a, quant à elle, montré : y des uniformités d'épaisseur supérieures à 98 % sur y des wafers 3 pouces ; des niveaux d'impuretés type -n inférieurs à () 5 CM-3 une uniformité de dopage à l'azote de plus de 90 % sur un wafer 2 pouces. Ces avancées technologiques permettent de positionner le SiC comme un matériau majeur pour le futur, et constituent une solide base pour son utilisation dans des composants d'électronique de puissance. Durant les cinq dernières années, les progrès du SiC dans le domaine de ces composants EP ont été rapides. De nombreux dispositifs ont montré des performances et des facteurs de mérite qui dépassent de loin ceux des composants similaires en Si, et, contrairement à ce dernier, les limites théoriques des performances du SiC Octobre 2003

5 v na r.tw ; rn.0 00 slnoo "_ Unlp I Llmlt " 0 c mve c «-o.nrnos a oo m ô UCSB NEHT4 i, ; p.an «r 00 m..cev.ss ue : oao.m ah_sig " 0 Kf io, 0-. icr Blocking Voltage (V) P,N 0 io, SBD/J8S, ; f 7fj.. UM.! I9 0 c ol Vuraue.SBl n icï i (D 0'0' i (D i o i (Dp C Blocking Voltage (V) Figure 7. Comparaison des performances des différents prototypes d'interrupteurs au niveau des facteurs de mérite, et au niveau des calibres courant/tension [2. n'imposent pas de contraintes à court terme quant à la suite des améliorations. L'état actuel de la filière technologique autorise la fabrication à haut rendement de transistors et de diodes présentant des courants de 20 A pour des puces simples, et des courants de 00 A et plus pour des modules. La taille et la qualité des wafers devraient continuer à augmenter. Les composants de puissance SiC apparaîtront tout d'abord dans des domaines d'applications spécialisées où le silicium ne peut se montrer compétitif, comme pour la diode de roue libre des redresseurs des circuits de contrôle moteur, où la diode Schottky ou la diode PIN SiC peuvent se montrer avantageuses, compte tenu de leurs faibles pertes en commutation. Ultérieurement, les transistors et les thyristors SiC devraient remplacer les IGBTs silicium. La nature du transistor (MOSFET, JFET, BJT) n'est pas encore établie. Les JFETs et les BJTs ont moins de faiblesses matérielles et sont plus simples à réaliser que les MOS- FETs SiC, mais ces derniers devraient offrir au final des [7 M. Syvajarv et al., High growth rate of a-sic by sublimation epitax. Mater. Sci. Forum, Vol , No., pp (998). [8] V. Dmitriev, LPE of SiC and SiC-AIN. Properties of Silicon Carbide, Ser. 3, édité par G.L. Harris (London), UK : INSPEC, EMIS data Review, pp ). [9] 0. Kordina, et al., High temperature chemical vapour deposition of SiC. Appl. Phys, Letter, Vol. 69, No. 0, pp (996). 0 M. Coyaud, Caractérisation Fonctionnelle de Composants en Carbure de Silicium. PhD Thesis, INPG-UJF (2002). [] J.N. Shenoy, J.A. Cooper Jr, M.R. Melloch, High Voltage double-implantedpowermosfets in 6H-SiC. IEEE Electron Device Letter, Vol. 8, pp (997). [2] J.A. Cooper Jr, A. Agarwal, SiC Power Switching Devices- The Second Electronics Revolution? Proceedings of the IEEE, Vo. 90, No. 6, pp (2002). avantages considérables, en raison de leur haute impédance d'entrée et de leurs pertes en commutation plus faibles (Fig. 7). Des travaux additionnels de développement sont nécessaires pour amener les MOSFETs SiC à leur plein potentiel, et le succès de ce développement déterminera leur entrée sur le commerce. Références [ F. Nallet, SiC pour l'électronique de puissance du futur Techniques de l'ingénieur (2002. [2] A.R. Povvell, L.B. Rowland, Progress, Status, and Potential Roadblocks Proceedings of the IEEE, Vol. 90, No. 6, pp (2002. [3] L. Di Cioccio, Y. Le Tiec, et al., Silicon Carbide on Insulator Formation by the Smartcut Process. Materials Science Forum, Vol (998) [4] A.J. Steckf, JP Li, Epitaxial growth of fj-sic on Si by RTCVD with C3H4 and SiH4 IEEE Trans. Electron Devices, Vol. 39, pp ). [5 N. Kuroda, K. Shibahara, et al, Step-controlled VPE growth of SiC single crystais at low temperatures. gth Conf. on Solid State Devices and Mater., pp (987). [6] 0. Kordina, Growth and characterization of Silicon Carbide power device material PhD dissertation, Linkôping Univ., Linkdping, Sweden (994). Les auteurs Guillaume Verneau a obtenu son doctorat en Génie Électrique en mai 2003 à l'institut National Polytechnique de Grenoble, au Laboratoire d'éiectrotechnique de Grenoble. Diplômé de l'école Nationale Supérieure des Ingénieurs Électriciens de Grenoble en 2000, option Électronique de Puissance, ses travaux de recherche portent sur la modélisation et l'intégration de composants à grille isolée en silicium, ainsi que sur les prospectives de la filière SiC pour ce domaine. Martin Coyaud a reçu son doctorat en Génie Électrique en juillet 2002 à l'université Joseph Fourier, au Laboratoire d'électrotechnique de Grenoble. Diplômé de l'école Nationale Supérieure des Ingénieurs Électriciens de Grenoble en 999, option Électronique de Puissance, ses travaux de recherche, menés en collaboration avec STMicroelectronics, portent sur l'évaluation et! a modélisation de diodes Schottky SiC 600V. Il travaille actuellement au sein de la société Faiveley, en tant qu'ingénieur de développement. O,t,,, 20L) 3