État de l'art SiC, composants, performances, technologies et perspectives à moyen terme

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1 Ampère Unité Mixte de Recherche CNRS Génie Électrique, Électromagnétisme, Automatique, Microbiologie environnementale et Applications État de l'art SiC, composants, performances, technologies et perspectives à moyen terme Dominique PLANSON AMPERE - CNRS UMR n

2 Plan de l exposé Besoins de composants plus performants Généralités sur les composants grands gap Pourquoi des composants grand gap? Propriétés des matériaux grand gap Performances statiques théoriques Conclusion et perspectives Composants SiC État de l art mondial unipolaires, bipolaires Modélisation et convertisseur diode JBS transistor JFET convertisseur Réalisation : composants spécifiques limiteur onduleur monolithique haute tension 2 2

3 Vers des composants plus performants Electronique haute température (réacteurs, freins, moteurs) Réponses à des contraintes sévères (volume, poids) Voiture plus électrique Powertrain confort, sécurité Avion plus électrique Réduction taille convertisseurs 3 3

4 Vers des composants plus performants Aujourd hui Production Demain : sources d énergie délocalisées avec de nombreuses interconnexions et unités de gestion Hydroélectrique Transmission Maison Distribution Photovoltaïque Industrie Cogénération Immeuble Conception de composants haute tension Eolien Micro-centrale cogénération 4 4

5 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 HF - Composants de puissance - Environnements sévères 5 5

6 Les matériaux grand gap : propriétés électroniques et thermiques Semiconducteurs «classiques» Semiconducteurs à grand gap Si GaAs 3C SiC 6H SiC 4H SiC GaN Diamant Bande interdite E g (ev) 1,12 1,4 2,3 2,9 3,2 3,39 5,6 Mobilité des électrons µ n (cm 2.V -1.s -1 ) Mobilité des trous µ p (cm 2.V -1.s -1 ) Champ électrique critique E C (V.cm -1 ) , Vitesse de saturation v sat (cm.s -1 ) , Conductivité thermique λ (W.cm -1.K -1 ) 1,3 0, ,3 20 Température d utilisation maximale T max ( C) Constante diélectrique 11,7 12,9 9,6 9,7 10 8,9 5,7 SFM (W.s -1 ) 2,9 8,1 80,8 48,8 123, Ratio / silicium 1 2,8 27,8 16,8 42,6 48, JFM (V.s -1 ) 4,77 12,7 79,5 79,5 95, Ratio / silicium 1 2,7 16,7 16, Grand Gap E c n i µ λ Composants haute tension, faibles pertes et travaillant à haute température 6 6

7 Avantages du SiC pour EP Haute Tension (1-50 kv) Densité de courant élevée (>1kA/cm 2 ) Haute fréquence Simplification des circuits (réduction taille, simplification commande) Convertisseurs plus petits, avec moins de pertes, composants passifs plus petits Haute Température (>250 C) Systèmes refroidissement plus petits Carbure de Silicium 7 7

8 Performances statiques théoriques des différents matériaux Si SiC 2500 GaN Temperature (K) C 1000 C SOI : 80V 220 C 1 10 Ron.S théorique en fonction de la tenue en tension pour Si, SiC, GaN et diamant 2 10 IGBT : 1.2 kv 175 C 10 3 IGBT : 6 kv 125 C H-SiC 6H-SiC 3C-SiC 2H-GaN 3C-GaN Si diamond 400 C 300 C 200 C 5 10 Vbr (V) Température d emballement thermique en fonction de la tenue en tension théorique W. Saito et. al. Theoretical limit estimation of lateral wide band-gap semiconductor powerswitching device Solid State Electronics, Vol. 48, 2004, pp

9 Structure cristallographique du SiC Silicium + Carbone a = 3.08 Å C-Si = 1.89 Å plus de 120 polytypes de SiC (dependant de la séquence d empilement) seuls quelques un sont commercialisés : SiC-6H, SiC-4H, SiC-3C 9 9

10 Etat de l art mondial des composants SiC Diode Schottky 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 (@V F <4 V) Résistance différentielle C et C I A (A) ºC 100ºC 200ºC 300ºC V AK (V) J A (A.cm -2 ) Vue en coupe de la diode 16 puces de 1.5 cm 2 sur wafer 3" Brett A. Hull et. al. 1.5 cm 2 4H-SiC 10 kv/20 Amp Junction Barrier Schottky Rectifiers, Paper We-3B-2, Conf. ICSCRM 07 Otsu - Japon 10 10

11 Etat de l art mondial des composants SiC Diode V Diode bipolaire haute tension 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 4500 V/180A before stress 20h stress at 25ºC 20h stress at 125ºC 20h stress at 225ºC I A (A) A.cm diodes 180 A (a) et 12 diodes 100 A (b) V AK (V) Electroluminescence Brett A. Hull et. al. A 180 Amp/4.5 kv 4H-SiC PiN Diode for High Current Power Modules, Proceedings of International Symposium of Power Semiconductors Devices & ICs, 2006, Naples. P. Brosselard et. al. 3.3 kv-10a 4H-SiC PiN diodes Paper We-, Conf. ICSCRM 07 Otsu - Japon 11 11

12 Etat de l art mondial des composants SiC Transistor MOSFET 1200V/67A (@25 C) R on-spe = 11.5 mω.cm² Fiabilité de l'oxyde! S.-H. Ryu et al. «Critical Issues on 4H-SiC Power DMOSFETs», ECSCRM, 2008, Barcelone Drain Current (A) Drain Voltage (V) Transistor Bipolaire 1200 V/15A (@ Résistance spécifique différentielle 22 mω/cm 25 C 200 W/cm 2 25 C 150 C (@V CE =2V) 100 mm H.-S. Lee et. al V 4H-SiC BJTs with a common emitter current gain of 60 and low on-resistance, Paper Mo-2B-3, Conf. ICSCRM 07 Otsu Japon 12 12

13 Etat de l art mondial des composants SiC Thyristor 1700 V/100 A (@V AK <4 V) 200 C A.K. Agarwal et al. The First Demonstration of the 1 cm x 1 cm SiC Thyristor Chip, Proceedings of International Symposium of Power Semiconductors Devices & ICs, 2005 IGBT type-n 13 kv/4 A (@V F <5 V) Résistance spécifique différentielle 22 mω/cm 25 C Mise en conduction Emission de lumière bleue en direct Mrinal K. Das et. al. "A 13 kv 4H-SiC n-channel IGBT with Low R diff,on and Fast Switching Paper Mo-2B-5, Conf. ICSCRM 07 Otsu Japon 13 13

14 Etat de l art mondial des composants SiC Transistor JFET : 600V-1200V Handicap : Normally-on Solutions : montage cascode (SICED 2003) Redéfinition d un driver (AMPERE) 3 versions développées par SICED V1 : technique implantation V2 : technique épitaxie V3 : V2 + diode interne Vue en coupe JFET : V3 Semisouth : technique implantation Vue en coupe JFET : Semisouth 14 14

15 Côté technologie des composants SiC SiC : Amélioration qualité des couches Réduction de la densité de micropores Meilleure homégénéité des couches épitaxiées Bâti épitaxie 6 wafers de 100 mm, Pour du matériau 6.5 kv (We-1A-2) Evolution du diamètre des substrats (Recherche et Développement) 15 15

16 Côté technologie des composants SiC Masque aluminium Sélectivité grande Résultats de gravure du SiC 1994 Profondeur de gravure importante Sur-gravure Masque oxyde Contrôle de l angle de gravure 1997 Masque Ti/Ni Angle θ vs S 2006 Profondeur > 10 µm 60 angle θ [ ] Influence du débit O 2 10 µm sélectivité 16 16

17 Côté technologie des composants SiC N concentration (ion.cm -3 ) Étapes technologiques spécifiques 1e+19 1e+18 1e+17 1e+16 1e+15 Croissance substrat, épitaxie Recuit post-implantation Recuit des contacts ohmiques Oxydation Implantation ionique forte énergie pour jonction profonde Encapsulation pendant le recuit post-implantation 2 MeV 3,5 MeV a) Total dose: 1.91x10 14 N +.cm -2 1e+19 b) 1e Depth (nm) Sum SIMS N concentration (ion.cm -3 ) 1e+18 1e+17 1e+16 1e+15 Total dose: 3.3x10 14 N +.cm -2 1e Depth (nm) Sum SIMS Photos AFM 1.0µm 5 5 µm 2 AFM image for Al.cm -2 implanted sample after 1800 C/30 min annealed without C-cap Photographie de la chambre chaude du four de recuit post-implantation (Tmax = 1800 C) Rugosité RMS : 14.4 nm 0.5 nm 1.0µm 5 5 µm 2 AFM image for Al.cm -2 implanted sample after 1800 C/30 min annealed with C-cap 17 17

18 Composants spécifiques labo Limiteur de courant En cas de défaut court-circuit Caractéristique idéale Principe Principe de fonctionnement Photo du composant Caractérisation électrique D. Tournier et. al. Composant de protection série en SiC 450A de forte densité de puissance, Accepté oral à EPF

19 Composants spécifiques labo Convertisseur intégr gré Appareils nomades : -protection - taille alimentation - détection source/récepteur Conception d un bras onduleur monolithique +E V DD G D S n p OUT Source OUT Isolation galvanique Source - V SS G D n Drain - V DD Grille Grille Drain Grille Grille S p V SS 19 19

20 Composants spécifiques labo Conception +E D G n G commande p S Onduleur monolithique 600V/5A D D n n G pol_p source grille drain p S S p pol_n source grille drain Simulation TCAD Vgs=0 V commande G D S n p D G S charge n p charge D G S charge n p n-jfet p-jfet Ids (A) 4 Vgs=-1 V 3 Vgs=-4 V 2 1 Vgs=-8 V Vgs=-12 V Vds (V) Réalisation : 8 niveaux de masque grille source 5 mm drain grille 20 20

21 Des moyens de conception Logiciel à éléments finis de dispositifs à semi-conducteur Équations 1992 maillage + ε ² ψ = q( p n+ ND NA) n 1 J n U t = q r r p 1 J p U t = q r r + T r r ρc ( ) p = H + λ(t) T t Grandeurs externes I(V), C(V) Grandeurs internes Champ, potentiel, porteurs, température... Dopage (type, profil) Contacts, conditions de polarisation, et aux limites Simulation 1D (Atlas) 1994 Simulation 2D (Medici) 1998 Simulation electro-thermique (Dessis) 2001 Simulation 2D (+ circuit) 2007 Migration vers Sentaurus (3D possible) 21 21

22 Composants spécifiques labo Diode 6 kv Composants haute tension Tenue en tension Métal 2 : Al Passivation 2 : SiO 2 (PECVD) 3,8 µm Métal 1 : Ni/Al Passivation 1 : SiO 2 (oxydation) Anode cm -3 N JTE cm -2 Epi N cm -3, 60 µm Courant [A] 1x10-4 1x10-5 1x10-6 1x10-7 1x10-8 1x10-9 Substrat N cm -3 1x10-10 Thyristor Métal cathode : Ti/Ni N JTE N P N Gâchette N cm -3 Drift P cm -3 Tampon P cm -3 Substrat N cm -3 Hmesa 6 µm N JTE > 150 µm I anode [A] 1,5 1,0 0, I G = 9 ma pendant 0,55 µs 0, U AC [V] Tension [V] P. Brosselard et. al. A 3.5 kv thyristor in 4H-SiC with a JTE periphery, ECSCRM J anode [A.cm -2 ] I anode [A] 4,0x10-7 3,0x10-7 2,0x10-7 1,0x10-7 Q it = cm -2 Q it = cm -2 device n 1 device n 2 } 0, U AK [V] 22 22

23 Composants commerciaux Diodes Schottky diodes Schottky disponibles en V (10 et 20 A), 600 V (1A, 4A, 6A, 10A et 20A) et 1200 V (5A, 10A et 20A) 23 23

24 Modélisation Diode Schottky IDT16S60C (16A-600V) 600V) INFINEON Mesures I F [A] Direct 25 C 25 C 50 C 100 C 150 C 200 C 225 C 225 C V F [V] I R [A] 1x10-4 1x Inverse V R [V] T=225 C T=200 C T=150 C T=100 C T=50 C T=25 C 225 C 25 C Modèle I diode [A] Mesure T=27 C Mesure T=125 C Mesure T=200 C Simul T=27 C Simul T=125 C Simul T=200 C T=27 C T=125 C T=200 C I R [A] 1x10-5 1x10-6 1x10-7 1x10-8 1x10-9 1x10-10 T=225 C T=200 C T=150 C T=100 C T=27 C Mesure T=225 C Mesure T=200 C Mesure T=150 C Mesure T=100 C Mesure T=27 C Simul T=225 C Simul T=200 C Simul T=150 C Simul T=100 C Simul T=27 C V diode [V] V R [V] 24 24

25 Modélisation JFET-SiC : Commercialisation par INFINEON en : SiCED JFET, cascode 2A, 1800V (version 1) 5A, 1500V (version 2) Les composants disponibles aujourd'hui (SiCED) 2007: SiCED SiC JFET 1200V 50A 50 mω (version 4) 2006: SiCED SiC JFET 1200V 15A 200 mω (version 3) 25 25

26 Modélisation Caractérisation risation de JFET-SiC I DS (A) C Version 3 : 1200V/15A =0V =-2V =-4V =-6V =-8V =-10V =-12V =-14V =-16V =-18V =-20V =-22V I DS (A) C =0V =-2V =-4V =-6V =-8V =-10V =-12V =-14V =-16V =-18V =-20V =-22V V DS (V) V DS (V) 26 26

27 Modélisation statique Modélisation de JFET-SiC (V2) Modèle à 2 canaux Dynamique (ouverture) R. Mousa et. al. Modeling and High Temperature Characterization of SiC-JFET, Published in PESC

28 Convertisseur Onduleur triphasé haute température (200 C) Transistors JFET (V2) Bloc chauffant 28 28

29 Convertisseur Onduleur haute température (200 C) Driver spécifique Forme d onde -30V 300V 2A Gestion des temps morts Gestion des protections Pertes : qq W à 50 khz 29 29

30 Caractérisation et Modélisation Haute Température : BJT-SiC Composant NPN 1200V / 6A taille puce 2.4x2.4 mm 2 gain en fonction de T C 30 30

31 Conclusion Conception de composants originaux pour applications particulières res Réalisation et suivi de fabrication avec plateformes SiC lyonnaise et centres technologiques Caractérisation risation et modélisation des composants (Statique, Dynamique) Conception de convertisseurs hybrides et monolithiques haute température 31 31

32 Perspectives Onduleur haute température (300 C) Intégration : Convertisseur monolithique (600 V) (ANR 2006 : JFET-SB) Électronique de commande haute température (ANR 2006 : CO-THT) Composants très s haute tension (10 15 kv) (ANR Blanc 2009 : VHVD-SiC + SiC-HT2) 32 32