Conception et caractérisation de diodes en SiC pour la détermination des coefficients d ionisation

Transcription

1 Cocetio et caractérisatio de diodes e SiC our la détermiatio des coefficiets d ioisatio Duy Mih Nguye To cite this versio: Duy Mih Nguye. Cocetio et caractérisatio de diodes e SiC our la détermiatio des coefficiets d ioisatio. Other. INSA de Lyo, Frech. <NNT : 2011ISAL0044>. <tel > HAL Id: tel htts://tel.archives-ouvertes.fr/tel Submitted o 15 Mar 2012 HAL is a multi-disciliary oe access archive for the deosit ad dissemiatio of scietific research documets, whether they are ublished or ot. The documets may come from teachig ad research istitutios i Frace or abroad, or from ublic or rivate research ceters. L archive ouverte luridisciliaire HAL, est destiée au déôt et à la diffusio de documets scietifiques de iveau recherche, ubliés ou o, émaat des établissemets d eseigemet et de recherche fraçais ou étragers, des laboratoires ublics ou rivés.

2 N d ordre : 2011 ISAL 0044 Aée 2011 Thèse Cocetio et caractérisatio de diodes e SiC our la détermiatio des coefficiets d ioisatio Présetée devat L Istitut Natioal des Scieces Aliquées de Lyo Pour obteir Le grade de docteur Formatio doctorale : Géie électrique École doctorale : Electroique, Electrotechique, Automatique de Lyo Par Duy Mih NGUYEN (Igéieur) Souteue le 20 jui 2011 devat la Commissio d exame Jury MM. Raorteur et Présidet Daiel ALQUIER Professeur des uiversités Edwige BANO Maître de coféreces Marie-Laure LOCATELLI Chargée de recherche CNRS Raorteur José MILLAN Professeur des uiversités Domiique PLANSON Professeur des uiversités Christohe RAYNAUD Maître de coféreces Ivitée Karie ISOIRD Maître de coféreces Laboratoire de recherche : Amère

3 INSA Directio de la Recherche - Ecoles Doctorales Quiqueal SIGLE ECOLE DOCTORALE NOM ET COORDONNEES DU RESPONSABLE CHIMIE E.E.A. E2M2 EDISS INFOMATHS Matériaux MEGA ScSo CHIMIE DE LYON htt:// Isa : R. GOURDON ELECTRONIQUE, ELECTROTECHNIQUE, AUTOMATIQUE htt://edeea.ec-lyo.fr Secrétariat : M.C. HAVGOUDOUKIAN eea@ec-lyo.fr EVOLUTION, ECOSYSTEME, MICROBIOLOGIE, MODELISATION htt://e2m2.uiversite-lyo.fr Isa : H. CHARLES INTERDISCIPLINAIRE SCIENCES-SANTE htt://ww2.ibc.fr/ediss Sec : Safia AIT CHALAL Isa : M. LAGARDE INFORMATIQUE ET MATHEMATIQUES htt://ifomaths.uiv-lyo1.fr MATERIAUX DE LYON Secrétariat : M. LABOUNE PM : Fax : Bat. Sait Exuéry Ed.materiaux@isa-lyo.fr MECANIQUE, ENERGETIQUE, GENIE CIVIL, ACOUSTIQUE Secrétariat : M. LABOUNE PM : Fax : Bat. Sait Exuéry mega@isa-lyo.fr ScSo* M. OBADIA Lioel Sec : Viviae POLSINELLI Isa : J.Y. TOUSSAINT M. Jea Marc LANCELIN Uiversité de Lyo Collège Doctoral Bât ESCPE 43 bd du 11 ovembre VILLEURBANNE Cedex Tél : directeur@edchimie-lyo.fr M. Gérard SCORLETTI Ecole Cetrale de Lyo 36 aveue Guy de Collogue ECULLY Tél : Fax : Gerard.scorletti@ec-lyo.fr Mme Gudru BORNETTE CNRS UMR 5023 LEHNA Uiversité Claude Berard Lyo 1 Bât Forel 43 bd du 11 ovembre VILLEURBANNE Cédex Tél : e2m2@biomserv.uiv-lyo1.fr M. Didier REVEL Hôital Louis Pradel Bâtimet Cetral 28 Aveue Doye Léie BRON Tél : Fax : Didier.revel@creatis.ui-lyo1.fr M. Johaes KELLENDONK Uiversité Claude Berard Lyo 1 LIRIS - INFOMATHS Bâtimet Nautibus 43 bd du 11 ovembre VILLEURBANNE Cedex Tél : Fax ifomaths@bat710.uiv-lyo1.fr M. Jea-Yves BUFFIERE INSA de Lyo MATEIS Bâtimet Sait Exuéry 7 aveue Jea Caelle VILLEURBANNE Cédex Tél : Fax Jea-yves.buffiere@isa-lyo.fr M. Philie BOISSE INSA de Lyo Laboratoire LAMCOS Bâtimet Jacquard 25 bis aveue Jea Caelle VILLEURBANNE Cedex Tél : Fax : Philie.boisse@isa-lyo.fr M. OBADIA Lioel Uiversité Lyo 2 86 rue Pasteur LYON Cedex 07 Tél : Fax : Lioel.Obadia@uiv-lyo2.fr *ScSo : Histoire, Geograhie, Améagemet, Urbaisme, Archéologie, Sciece olitique, Sociologie, Athroologie 2

4 Remerciemets Je ties à débuter ces remerciemets e exrimat toute ma gratitude aux membres du jury de cette thèse, otammet à M. Daiel ALQUIER et M. Jose MILLAN our avoir acceté d être les raorteurs de ce travail. Cette thèse e se serait as accomlie sas ue bourse du MESR et le suort fiacier des rojets de recherche : VHVD et SiCHT2. Ce travail aurait égalemet as u voir le jour sas l ecadremet exemlaire, les iestimables coseils et les ecouragemets de Domiique PLANSON et de Christohe RAYNAUD, mes directeurs de thèse. Je leur exrime ici ma rofode recoaissace. Cette étude a écessité de ombreux comosats. J adresse mes vifs remerciemets aux ersoes qui ot articié à la réalisatio de ces comosats, de l INL, du CNM de Barceloe, de l ISL, du CIME Naotech et du GEMAC. Je ties à remercier tous les membres de l équie EPI du laboratoire que j ai côtoyés durat ces aées de thèse. Je remercie articulièremet Mihai LAZAR our m avoir accomagé das la fabricatio des comosats. Mes sicères remerciemets vot à Pierre BROSSELARD et Domiique TOURNIER our leurs cométeces das la techologie des comosats et our lusieurs coseils éclairs durat la thèse. Je ties lus articulièremet à saluer la symathie de Pascal BEVILAQUA et à remercier Nicolas DHEILLY our avoir artagé sa riche cométece das la simulatio des comosats. J ai ue esée our Gabriel CIVRAC et sa coie Aude qui m ot aidé das la rédactio de ce mémoire. Mes deriers remerciemets irot à mes arets, à toute ma famille et à mes amis lois ou roches qui ot toujours eu cofiace e moi et qui m ot ecouragé durat toutes ces aées. 3

5 Table des matières Itroductio géérale 7 Chaitre 1 : Proriétés et état de l art du SiC Proriétés du SiC Structure cristallie et olytyes du SiC Proriétés hysiques du SiC Proriétés mécaiques et thermiques Proriétés électroiques du SiC itrisèque Éergie de la bade iterdite Cocetratio de orteurs itrisèques et desité d états Proriétés électroiques du SiC extrisèque Rétrécissemet de la bade iterdite Eergie d activatio et ioisatio icomlète des doats Mobilité des orteurs Ioisatio ar imact et cham critique Défauts das le SiC Défauts étedus Microies Dislocatios Fautes d emilemet Défauts octuels Cetres de défauts itrisèques Priciaux doats das le SiC Etat de l art des diodes de uissace e SiC Diodes Schottky Diodes biolaires Diodes JBSs Coefficiets d ioisatio et état de l art de la détermiatio des coefficiets d ioisatio du SiC Coefficiets d ioisatio das les semi-coducteurs Modèles des coefficiets d ioisatio Modèle de Wolff Modèle de Shockley Modèle de Baraff Modèle de Thorber Détermiatio exérimetale des coefficiets d ioisatio Etat de l art de la détermiatio des coefficiets d ioisatio das le SiC 32 4

6 Les valeurs de α et α de Ruff et al. das le SiC-6H Les valeurs de α et α de Kostatiov et al. das le SiC-4H Les valeurs de α de Raghuatha et Baliga das le SiC-4H et 6H Les valeurs de α et α de Ng et al. et de Loh et al. das le SiC-4H Les valeurs de α et α de Hatakeyama et al. das le SiC-4H Coclusio Bibliograhie du chaitre 1 38 Chaitre 2 : Cocetio et fabricatio des diodes OBIC Cocetio des diodes Descritio du remier jeu de masques et résultats de simulatio Descritio du remier jeu de masques Simulatio Descritio du deuxième jeu de masques et résultats de simulatio Descritio du deuxième jeu de masques Simulatios Wafers avec ue éitaxie de 3 µm (EC EV et CG EV) Wafer avec ue éitaxie de 4 µm (DE-EA449-10SY) Wafer avec ue éitaxie de 7 µm (Z ) Fabricatio des diodes Diodes du remier lot Diodes du deuxième lot Diodes du troisième lot Coclusio Bibliograhie du chaitre 2 61 Chaitre 3 : Caractérisatio des diodes et extractio des aramètres du SiC ar caractérisatios électriques et OBIC Pricie et alicatios de la techique OBIC Itroductio Détermiatio exérimetale des coefficiets d ioisatio Détermiatio du facteur de multilicatio ar avalache Exressio du courat hoto-gééré global Calcul des courats hoto-géérés Courat hoto-gééré das la zoe de charge d esace Courats hoto-géérés das les zoes eutres Etude de la distributio du cham électrique et détermiatio de la durée de vie des mioritaires 69 5

7 Etude de la distributio du cham électrique Détermiatio de la durée de vie des mioritaires Bac exérimetal OBIC Résultats des mesures et discussios Diodes OBIC du remier lot Diodes fabriquées sur le wafer SiC-4H de tye N (AD ) Diodes Schottky Diodes biolaires Diodes fabriquées sur le wafer SiC-6H de tye P (V ) Diodes Schottky Diodes biolaires Diodes OBIC du deuxième lot Diodes OBIC du troisième lot Coclusio Bibliograhie du chaitre Chaitre 4 : Caractérisatio des diodes Schottky, JBS et Zeer Caractérisatio des diodes Schottky et JBS e SiC-4H Itroductio Descritio des diodes de test Résultats des mesures C(V) e temérature Résultats des mesures de sectroscoie d admittace Coclusio Caractérisatio des diodes Zeer e SiC-4H Itroductio Présetatio des diodes de test Résultats des mesures et discussio Coclusio Bibliograhie du chaitre Coclusio géérale 127 Publicatios 129 Aexe 130 Aexe I : Process de fabricatio des diodes du remier lot 131 Aexe II : Process de fabricatio des diodes du deuxième lot 137 6

8 Itroductio géérale Deuis lus de soixate as, l'idustrie des semi-coducteurs est basée sur l utilisatio du silicium (Si). Comme l évolutio des comosats électroiques cotiue, ous sommes actuellemet à la limite des roriétés hysiques du silicium das certais domaies d alicatio. Cette limite a motivé la recherche sur de ouveaux matériaux ouvat offrir des erformaces suérieures à celles du silicium. Il s agit des semicoducteurs à large bade iterdite, dot le carbure de silicium (SiC). Sa large bade iterdite, so cham électrique critique et sa vitesse de saturatio des orteurs élevée doet la ossibilité de réaliser des comosats das des domaies de foctioemet jusque là iaccessibles avec le Si. So avacemet techologique fait du SiC actuellemet u cadidat alteratif au silicium, lus attractif que les autres semi-coducteurs à large bade iterdite (diamat, AlN, GaN ). Le SiC est e effet articulièremet itéressat our la réalisatio de comosats haute tesio grâce à so cham électrique critique élevé. Pour la cocetio de ces comosats, la coaissace des coefficiets d ioisatio est articulièremet imortate. Ce sot eux qui vot détermier la tesio maximale qu il est ossible d atteidre. Ceedat, à ce jour, quelques travaux sot ubliés sur les coefficiets d ioisatio du SiC, mais les valeurs résetées sot disersées les ues ar raort aux autres. Les coefficiets d ioisatio du SiC restet doc ecore mal détermiés. L objectif de cette thèse est doc de réaliser des diodes haute tesio e SiC, de les caractériser et de détermier les coefficiets d ioisatio e utilisat la techique OBIC (Otical Beam Iduced Curret) disoible au laboratoire. Das u remier chaitre, ous raelos les roriétés riciales du SiC qui fot de lui u matériau de choix our remlacer le silicium das certais domaies d alicatio. U état de l art des diodes réalisées sur le SiC est esuite réseté. Les diodes jouet u rôle imortat, e tat que moye de caractérisatio das ce travail. La otio et les modèles des coefficiets d ioisatio sot efi arofodis das ue troisième artie. Celle-ci fait égalemet état des résultats résetés das la littérature sur les coefficiets d ioisatio du SiC. Le deuxième chaitre s itéresse à la réalisatio de différetes diodes sécialemet coçues our la détermiatio des coefficiets d ioisatio our ce travail. Le laboratoire ayat as de moyes techologiques de fabricatio de comosats, ous ous sommes 7

9 auyés sur des arteariats avec différetes lates-formes techologiques et laboratoires, otammet la late-forme de l INL (Istitut des Naotechologies de Lyo), le CNM (Cetre Natioal de Microélectroique) de Barceloe, l Istitut fraco-allemad de Sait- Louis (ISL), le CIME Naotech (Cetre Iteruiversitaire de MicroElectroique et Naotechologies), le GEMAC (Grou d Etude de la Matière Codesée). Das u troisième chaitre, ous résetos le ricie et les alicatios de la techique OBIC, aisi que le bac exérimetal utilisé au laboratoire our cette étude Nous exosos esuite les résultats de caractérisatio de diodes fabriquées et la détermiatio des coefficiets d ioisatio à artir des mesures OBIC effectuées sur ces diodes. Das u quatrième chaitre, ous abordos la caractérisatio de différets tyes de diodes réalisées ar les laboratoires arteaires. Ue techique articulière (sectroscoie d admittace) a été utilisée our relever les sigatures de défauts résets das les diodes Schottky et JBS das ue remière artie. Das ue deuxième artie, ous abordos articulièremet le comortemet des diodes d avalache e SiC-4H e temérature et le résultat des mesures OBIC sur celles-ci. Il s agira efi de coclure et de rooser des ersectives our de futurs travaux. 8

10 Chaitre 1 : Proriétés et état de l art du SiC Proriétés du SiC Structure cristallie et olytyes du SiC Proriétés hysiques du SiC Proriétés mécaiques et thermiques Proriétés électroiques du SiC itrisèque Éergie de la bade iterdite Cocetratio de orteurs itrisèques et desité d états Proriétés électroiques du SiC extrisèque Rétrécissemet de la bade iterdite Eergie d activatio et ioisatio icomlète des doats Mobilité des orteurs Ioisatio ar imact et cham critique Défauts das le SiC Défauts étedus Les microies Les dislocatios Les fautes d emilemet Défauts octuels Les cetres de défauts itrisèques Les riciaux doats das le SiC Etat de l art des diodes de uissace e SiC Diodes Schottky Diodes biolaires Diodes JBSs Coefficiets d ioisatio et état de l art de la détermiatio des coefficiets d ioisatio du SiC Coefficiets d ioisatio das les semi-coducteurs Modèles des coefficiets d ioisatio Modèle de Wolff Modèle de Shockley Modèle de Baraff Modèle de Thorber Détermiatio exérimetale des coefficiets d ioisatio Etat de l art de la détermiatio des coefficiets d ioisatio das le SiC Les valeurs de α et α de Ruff et al. das le SiC-6H Les valeurs de α et α de Kostatiov et al. das le SiC-4H Les valeurs de α de Raghuatha et Baliga das le SiC-4H et 6H 34 9

11 Les valeurs de α et α de Ng et al. et de Loh et al. das le SiC-4H Les valeurs de α et α de Hatakeyama et al. das le SiC-4H Coclusio Bibliograhie du chaitre

12 Chaitre 1 : Proriétés et état de l art du SiC Das ce chaitre, ous raelos das u remier tems les roriétés riciales du SiC. U état de l art des diodes SiC est esuite réseté. La détermiatio des coefficiets d ioisatio du SiC costitue e effet le cœur des travaux résetés das cette thèse. Aisi, ue imortate artie y est elle cosacrée. Nous détaillos les modèles des coefficiets d ioisatio et résetos les coefficiets d ioisatio du SiC das la littérature. 1. Proriétés du SiC 1.1. Structure cristallie et olytyes du SiC Le carbure de silicium (SiC) existe sous différetes formes cristallies aelées «olytyes». Tous les olytyes ot ue structure de base costituée d u atome de carboe situé au-dessus du cetre d'u triagle d'atomes de silicium et e dessous, d u atome de silicium aarteat à la couche suivate (Figure 1-1). A ce jour, rès de deux cets olytyes du SiC ot été découverts. La différece etre les olytyes est l'ordre d emilemet des bicouches Si-C. Chaque bicouche s emile selo trois ositios distictes ommées A, B, C (Figure 1-2). Les olytyes sot ommés usuellemet ar la otatio de Ramsdel. Chaque olytye est oté NX, où N est le ombre de couches costituat la ériode et X désige la structure cristallograhique : H (hexagoale), R (rhomboédrique) ou C (cubique). Les figures suivates résetet la structure de base du SiC et la séquece d emilemet des riciaux olytyes de SiC [1]. Figure 1-1 : Structure de base du SiC 11

13 Figure 1-2 : Séquece d emilemet des riciaux olytyes de SiC Nous allos maiteat asser e revue les différetes roriétés mécaiques, thermiques et électroiques du SiC Proriétés hysiques du SiC Proriétés mécaiques et thermiques Grâce à ue éergie de liaiso Si-C élevée d eviro 5 ev, le SiC ossède de boes roriétés mécaiques et thermiques : - ue extrême dureté (rès de trois fois celle du silicium), - ue grade coductivité thermique roche de celle du cuivre λ = 4,9 Wcm -1 K -1, - ue excellete résistace à la corrosio, aux chocs thermiques et aux irradiatios Proriétés électroiques du SiC itrisèque Éergie de la bade iterdite Le SiC est u semi-coducteur à bade d éergie iterdite (ga) idirecte comme le silicium mais sa bade iterdite (E g ) est de l ordre de 3 ev, c est-à-dire eviro trois fois celle du silicium. Aisi, le SiC est-il classé das la famille des semi-coducteurs à large bade iterdite. Le ga décroît liéairemet e temérature comme idiqué das le Tableau 1-1 [2]: Polytyes E g à 0 K (ev) E g e foctio de T(K) SiC-6H 3,02 2,925-3, (T-300) SiC-4H 3,26 3,165-3, (T-300) SiC-3C 2,37 2,2-5, (T-300) Tableau 1-1: Variatio de ga e foctio de la temérature 12

14 Cocetratio de orteurs itrisèques et desité d états La cocetratio de orteurs itrisèques i d u semi-coducteur est u aramètre imortat car elle détermie la limite suérieure de la temérature de foctioemet des comosats à base de semi-coducteurs. De lus, elle cotribue au courat de fuite e iverse des joctios (biolaires ou Schottky). Ce aramètre déed de la largeur de la bade iterdite aisi que des desités d états ermis das les bades de coductio N c et bades de valece N v. So exressio est doée das l Équatio 1-1 : Avec : i = N C N V E g 2kT ex Équatio 1-1 Et : N C 2 2mdos, πkt 2 = M C h 3 / 2 Équatio 1-2 N V = 2M V 2m h dos, 2 πkt 3 / 2 Équatio 1-3 où : - M C, M V ombre de miima équivalets das les bades de coductio et de valece - m dos,, m dos, masses effectives de desité d états des électros et des trous - k costate de Boltzma - h costate de Plack Les desités d états et la cocetratio i à temérature ambiate sot idiquées das le Tableau 1-2 [2]: Polytyes SiC-6H SiC-4H SiC-3C N C (cm -3 ) 8, , , N V (cm -3 ) 3, , , i (cm -3 ) 1, , ,54 Tableau 1-2 : Paramètres N C, N V et i calculés à 300 K [2] L évolutio de la cocetratio itrisèque e foctio de la temérature, e teat comte de la variatio d Eg avec la temérature, est résetée das la Figure 1-3 [2]. D arès cette figure, o voit clairemet que our le SiC-6H et 4H, la cocetratio itrisèque reste très iférieure aux doages gééralemet utilisés (> cm -3 ). Par coséquet, le SiC 13

15 foctioe e régime extrisèque jusqu à 1000 K au miimum. A titre de comaraiso, la temérature maximale de foctioemet du Si est de 550 K. Figure 1-3 : Evolutio de la cocetratio itrisèque e foctio de la temérature [2] Proriétés électroiques du SiC extrisèque Rétrécissemet de la bade iterdite Les délacemets du bord de la bade iterdite (la limite iférieure de la bade de coductio et la limite suérieure de la bade de valece) ou le rétrécissemet de la bade iterdite sot iduits ar les doats ioisés. Les modèles décrivat ces délacemets our le SiC ot été déveloés ar Lidefelt e 1998 [3]. Pour le SiC de tye N, les délacemets our la bade de coductio et la bade de valece sot resectivemet résetés das l Équatio 1-4 et l Équatio 1-5 avec les aramètres doés das le Tableau 1-3 : C = A c + 1/ 3 + 1/ 2 N D N D + B c E Équatio 1-4 V = A v + 1/ 4 + 1/ 2 N D N D + B v E Équatio 1-5 Tye N A c B c A v B v SiC-3C -1, , , , SiC-4H -1, , , , SiC-6H -1, , , , Tableau 1-3 : Paramètres our le calcul des délacemets du bord de la bade iterdite our le SiC de tye N [3] 14

16 Et our le SiC de tye P, les délacemets sot calculés selo l Équatio 1-6 et l Équatio 1-7 avec les aramètres doés das le Tableau 1-4: C = A c 1/ 4 1/ 2 N A N A + Bc E Équatio 1-6 V = A v 1/3 1/ 2 N A N A + Bv E Équatio 1-7 Tye P A c B c A v B v SiC-3C -1, , , , SiC-4H -1, , , , SiC-6H -1, , , , Tableau 1-4 : Paramètres our le calcul des délacemets du bord de la bade iterdite our le SiC de tye P [3] D arès ces aramètres et e teat comte du taux d activatio des doats das le SiC à 300 K, il est écessaire de cosidérer artir de cm -3 et de cm Eergie d activatio et ioisatio icomlète des doats E our le doage de tye N et P resectivemet à L éergie d activatio des doats das le SiC est bie suérieure à celle observée das le Si our u même doat. Doc tous les doats e sot as ioisés à temérature ambiate et le gel des orteurs («freeze-out of carriers») eut être observé au-dessus de 100 K, cotrairemet au Si où cet effet est observé que our des temératures iférieures à 80 K. Nous arlos alors d ioisatio icomlète des doats. Cette roriété du SiC ifluece de faço remarquable les caractéristiques des comosats, car elle eut coduire à ue augmetatio de la résistace série et à ue dimiutio de l ijectio des orteurs. Le ourcetage de doats ioisés à ue temérature doée déed eu de la comesatio et dimiue avec le iveau de doage. Les éergies d activatio des riciaux doats et les calculs du ourcetage de doats ioisés sot résetés das la référece [2] Mobilité des orteurs La mobilité des orteurs est u aramètre itroduit our faciliter l étude des courats de coductio. Sous faible cham électrique, la mobilité des orteurs µ est défiie ar : 15

17 Où : v est la vitesse des orteurs et F est le cham électrique. v = µf Équatio 1-8 O distigue ici la mobilité arallèle µ // et la mobilité erediculaire µ. La mobilité arallèle (// à l axe c) est celle qui iterviet das les comosats verticaux, alors que das les comosats horizotaux, c est la mobilité erediculaire (trasversale) qui iterviet. Das le SiC-6H, la mobilité est fortemet aisotroique du fait de l aisotroie de la masse effective. La mobilité arallèle est e effet 5,03 fois lus faible que la mobilité erediculaire µ / // = 5, 03 alors que ce raort est de µ / // = 0, 83 das le SiC-4H. µ µ La mobilité sous cham faible est décrite ar le modèle de Caughey-Thomas [4] : µ = T µ Nd 1+ T Cr ( ζ ) Avec les aramètres doés das le Tableau 1-5 suivat : // Équatio 1-9 Polytyes (1) µ 300 ζ α Cr (2) β SiC-4H, tye 1210,8 2,675 0,95 1, ,944 SiC-4H, tye 0% 170 1,99 0, ,2 SiC-4H, tye 1% ,83 2, ,2 SiC-4H, tye 10% 170 1,85 0,67 1, ,2 SiC-6H, tye 89,15 2,53 0,75 1, ,23 (1) Le ourcetage idiqué est le ourcetage de comesatio (N a /N d ) (2) Paramètres utilisés das la modélisatio de Caughey-Thomas avec N d e m -3 et T e K. Tableau 1-5 : Paramètres our le calcul de la mobilité sous cham faible [2] La mobilité sous fort cham électrique F eut être décrite comme suit : = µ β α LF µ 1 α α µ LF 1 + v sat F Équatio 1-10 avec : µ LF est la mobilité sous cham faible décrite ci-dessus et v sat est la vitesse de saturatio de orteurs. Les valeurs des aramètres α et v sat das les directios arallèles et orthogoales à l axe c sot résetées das le Tableau 1-6 [2]. Ces valeurs sot soit théoriques, détermiées ar des simulatios de tye Mote-Carlo (MC), soit exérimetales. 16

18 Polytyes α (MC) α // (MC) v sat (cm.s -1 ) v sat// (cm.s -1 ) SiC-6H SiC-6H exérimetal simulatio MC 1,09 0,9 1,4 2, , , ,08 10 SiC-4H SiC-4H exérimetal simulatio MC 0,825 0,84 1,11 7 2, , Tableau 1-6 : Paramètres our le calcul de la mobilité sous fort cham [2] Ioisatio ar imact et cham critique Sous l actio d u cham électrique, les orteurs libres sot accélérés et euvet atteidre ue éergie ciétique suffisammet grade our créer d autres orteurs lors de la collisio avec des atomes du réseau. Cet effet est aelé l ioisatio ar imact. Il est caractérisé ar les coefficiets d ioisatio des trous et des électros. Ce héomèe est traité e détail das la troisième artie de ce chaitre. A artir des coefficiets d ioisatio des orteurs, le cham critique théorique eut être calculé comme suit : F cr 6 2,49 10 = our le SiC-4H [5] Équatio ,25log 16 ( N /10 ) F cr 4 1/ 7 = 1,64 10 N our le SiC-4H [6] Équatio 1-12 F cr 1,52 10 N 4 1/ 7 = our le SiC-6H [6] Équatio 1-13 où : F cr est le cham critique e V.cm -1 et N est la cocetratio de doage e cm -3. Par raort au Si, le cham critique est eviro dix fois suérieur das le SiC. Cette roriété est très itéressate car elle ermet de dimiuer l éaisseur des couches qui tieet la tesio e régime bloqué ou bie d augmeter leur doage our ue même teue e tesio. Ceci ermet de dimiuer la résistace série du comosat, et doc les ertes à l état assat our ue même teue e tesio Défauts das le SiC Bie que le SiC ait des roriétés excetioelles et que beaucou de recherches soiet effectuées sur ce matériau deuis ue vigtaie d aées, le déveloemet des comosats e SiC e est ecore à ses débuts. Le roblème le lus critique se trouve lié à la qualité du matériau de déart. E effet, les défauts das le SiC sot ombreux et ot ue desité 17

19 imortate. Nous ouvos classifier les défauts das le SiC e défauts étedus et défauts octuels Défauts étedus Les riciaux défauts étedus das le SiC sot les microies, les dislocatios et les fautes d emilemet das le la de base Microies Les microies sot les défauts qui corresodet à des microtubes vides traversat le ligot de SiC [7]. Ue image d ue régio coteat des microies est résetée das la Figure 1-4. Figure 1-4 : Image d ue régio coteat des microies (marqué P) [7] Les microies ot ue ifluece très éfaste sur le foctioemet des comosats e SiC. Ces défauts coduiset à ue augmetatio des courats de fuite, aux micro-lasmas et à la réductio de lus de 50% la teue e tesio des comosats [8]. Les rogrès das la croissace du SiC, ot ermis de cosidérablemet réduire la desité de microies ces derière aées. Les meilleurs résultats ot été résetés ar les chercheurs de la société Cree avec des substrats de SiC-4H de 100 mm de diamètre sas aucue microie [9] Dislocatios Les dislocatios sot décrites comme ue imerfectio du réseau cristalli qui se roage das ue seule directio. Les dislocatios rovoquet des micro-lasmas, ue caractéristique o-abrute e iverse avat d avalache, ue réductio de la teue e tesio des disositifs ouvat atteidre 30% et ue dimiutio de la durée de vie des orteurs [8]. La desité des dislocatios das le SiC est imortate, de l ordre de cm -2 [10]. Cela est ue des raisos riciales limitat la résece des disositifs e SiC sur le marché. E effet, cotrairemet à la réductio de la desité des microies, la desité des dislocatios reste 18

20 ecore élevée à ce jour. Aisi, la desité la lus faible est de 425 cm -2 our les tous meilleurs substrats de 100 mm [11] Fautes d emilemet Les fautes d emilemets («Stackig-faults» e aglais) sot des défauts d emilemet des couches das le SiC, c est-à-dire que la séquece d emilemet régulière est iterromue. La germiatio de ces défauts est due aux BPD (basal lae dislocatio). Ces défauts créet des cetres de recombiaiso qui réduiset la durée de vie des orteurs [12], [13] et ils uiset articulièremet au déveloemet des comosats biolaires e SiC, à savoir que la dégradatio des caractéristiques e direct (augmetatio de la tesio e direct edat le foctioemet sous fort courat). Beaucou d études ot été réalisées sur ce sujet our dimiuer ces défauts et des résultats très itéressats ot été résetés ar les chercheurs de la société Cree [14], [15]. Ils ot e effet déveloé de ouveaux rocédés de fabricatio de substrats de SiC de haute qualité. Avec ces deriers, ils sot arveus à réduire la desité de BPDs à 10 cm -2 cotre lusieurs cetaies de cm -2 avec les méthodes stadard. Plus récemmet, les chercheurs de la société Cree e collaboratio avec les chercheurs de l uiversité de Liköig ot roosé ue autre techique our réduire la desité de BPDs à mois de 10 cm -2 [16] Défauts octuels E raiso de la bicouche SiC et de l existece de sites iéquivalets das ses différets olytyes, les défauts octuels das le SiC sot ombreux. Les riciaux sot les lacues, les iterstitiels, les atisites et les imuretés. Les lacues se formet quad des atomes sot éjectés de leur site cristalli. Il existe doc les lacues de silicium (Si) et les lacues de carboe (C). U iterstitiel est créé ar itroductio d u atome e u site qui est as sur les œuds du réseau cristalli origiel. O arle d u auto-iterstitiel s il s agit d u atome de silicium ou de carboe. Das le cas cotraire, il s agit d ue imureté iterstitielle. Si u atome de carboe (resectivemet silicium) occue l emlacemet d u atome de silicium (resectivemet carboe), ous arlos des atisites. Les imuretés sot des atomes étragers e site iterstitiel ou substitutioel das le matériau. Elles soiet résetes de faço ivolotaire das le matériau, soiet itroduites volotairemet (doats). Les défauts dus aux atomes du réseau cristalli sot ommés des défauts itrisèques et les défauts dus aux atomes étragers sot aelés des défauts extrisèques. E ratique, ous 19

21 distiguos et grouos les défauts octuels selo leur iveau d éergie das la bade d éergie iterdite. Nous allos réseter esuite les cetres de défauts itrisèques et les iveaux d éergie des riciaux doats das le SiC Cetres de défauts itrisèques Les cetres de défauts itrisèques sot divisés e deux groues : les cetres situés das la moitié iférieure de la bade d éergie iterdite (roches de la bade de valece) et les autres situés das la moitié suérieure de cette bade (roches de la bade de coductio). Les cetres situés das la moitié iférieure de la bade d éergie iterdite sot ommés : L, i, D. Les cetres situés das la moitié suérieure de la bade d éergie iterdite sot otés : S, R, (E 1 /E 2 ) et (Z 1 /Z 2 ) où ces deux deriers sot des cetres doubles. La cocetratio des défauts eut être modifiée et des ouveaux défauts sot iduits das le SiC arès ue imlatatio ou ue irradiatio. Ue descritio détaillée des cetres de défauts itrisèques eut être trouvée das la référece [17] et u récaitulatif des aramètres des cetres de défauts est réseté das le tableau suivat : Localisatio d éergie (ev) Cetre SiC-6H SiC-4H L E v + 0,24 E v + 0,24 I E v + 0,52 E v + 0,53 D E v + 0,58 E v + 0,54 S E c - 0,35 (E 1 /E 2 ) E c - 0,34/0,41 (Z 1 /Z 2 ) E c - 0,6/0,7 E c - 0,63/0,68 R E c 1,27 Tableau 1-7 : Niveaux éergétiques des cetres de défauts itrisèques das le SiC [17] Priciaux doats das le SiC Les cetres liés aux imuretés das le SiC sot ombreux et sot détectés ar différetes méthodes de caractérisatio. Les méthodes de caractérisatio usuellemet aliquées sot : PL (hotolumiescece), TL (thermolumiescece), effet Hall, DLTS (dee level trasiet sectroscoy), IR (ifrared absortio sectroscoy) et AS (admittace sectroscoy). Nous allos maiteat réseter les trois riciaux doats das le SiC : l azote, l alumiium et le bore. 20

22 Azote L azote (N) est ue imureté de tye doeur das le SiC. Il a ue solubilité élevée das le SiC (~10 21 cm -3 ) et ue éergie d activatio la lus faible ar raort aux autres doeurs. Das le SiC-4H et 6H, les atomes d azote se lacet e substitutio des atomes de carboe et so éergie d activatio varie selo le site qu elles occuet (k : cubique ou h : hexagoal). U récaitulatif des iveaux éergétiques de l azote trouvés ar différetes méthodes est réseté das le tableau suivat : Azote (N) E C E T (ev) Méthode utilisée Référece Das le SiC-4H N(h) 0,045 Effet Hall [18] N(k) 0,1 N(h) 0,052 IR [18] N(k) 0,0918 N(h) 0,045 Effet Hall [19] N(k) 0,1 N(h) 0,04-0,05 AS [20] N(k) 0,109 N(h) 0,071 Calcul théorique [21] N(k) 0,092 Das le SiC-6H N(h) 0,0855 Effet Hall [22] N(k 1,k 2 ) 0,125 N(h) 0,085 Effet Hall [18] N(k 1,k 2 ) 0,125 N(h) 0,081 N(k 1 ) 0,1376 IR [18] N(k 2 ) 0,1424 N(h) 0,084-0,1 Effet Hall [19] N(k 1,k 2 ) N(h) N(k 1 ) N(k 2 ) N(h) N(k 1,k 2 ) N(h) N(k 1,k 2 ) N(h) N(k 1 ) N(k 2 ) 0,125-0,150 0,081 0,1376 0,1424 0,08 0,11 0,07 0,14 0,19 0,797 1,089 IR [19] AS [23] AS [24] Calcul théorique [21] Tableau 1-8 : Niveaux éergétiques de l azote das le SiC détermiés ar différetes méthodes Alumiium Le SiC de tye- est habituellemet obteu e utilisat l alumiium (Al) comme doat. E effet, l alumiium est u acceteur dot la solubilité das le SiC est la lus élevée 21

23 et so iveau éergétique est le lus roche de la bade de valece du SiC. Il a été observé que ce iveau éergétique dimiue quad la cocetratio des atomes d alumiium das le SiC augmete. Les iveaux éergétiques d alumiium das le SiC sot résetés das le Tableau 1-9. Alumiium (Al) E T E V (ev) Méthode utilisée Référece Das le SiC-4H 0,2 PL [25] 0,229 DLTS [26] 0,185 TL [27] Das le SiC-6H 0,28 DLTS [28] 0,2 Effet Hall [19] 0,2 PL [29] 0,216 TL [27] 0,21 Effet Hall [27] Tableau 1-9 : Niveaux éergétiques d alumiium das le SiC détermiés ar différetes méthodes Bore Le bore (B) forme des iveaux acceteurs das le SiC. Il a ue solubilité relativemet élevée (~10 20 cm -3 ) et diffuse le lus raidemet das le SiC. E lus du iveau acceteur ricial, il doe égalemet des défauts itrisèques de tye D das le SiC [17]. Nous résetos das le tableau suivat les iveaux éergétiques du bore e tat qu acceteur. Bore (B) E T E V (ev) Méthode utilisée Référece Das le SiC-4H 0,285 Effet Hall, AS [30] Das le SiC-6H 0,35 DLTS [28] 0,3 AS [31] 0,3 DLTS, PL [19] 0,3-0,4 IR [20] B(h) B(k 1 ) B(k 2 ) 0,27 0,31 0,37 AS [32] Tableau 1-10 : Niveaux éergétiques de bore das le SiC détermiés ar différetes méthodes 2. Etat de l art des diodes de uissace e SiC 2.1. Diodes Schottky La diode Schottky est u comosat uiolaire dot le courat est assuré ar les orteurs majoritaires. C est le remier comosat e SiC [480V - 1A] commercialisé e 2000 ar la société Microsemi [33]. Deuis la sortie de cette remière diode Schottky sur le 22

24 marché, l avacée de ce comosat se oursuit tat au iveau de la tesio de blocage qu au iveau du courat e direct. Actuellemet, lusieurs fourisseurs rooset différetes gammes de diodes Schottky das leur catalogue. Le Tableau 1-11 résume les meilleures diodes Schottky disoibles sur le marché : Fabricat V BR (V) I F (A) V F (V) Microsemi ,6 Cree [34] ,5 Cree ,6 Ifieo [35] ,5 Ifieo ,65 ST [36] ,4 SemiSouth [37] ,6 Tableau 1-11 : Diodes Schottky e SiC commercialisées Les caractéristiques de ces diodes Schottky e SiC, e articulier leur teue e tesio, sot suérieures à celles des diodes Schottky e Si. E effet, les ouvelles Schottky e SiC sot comarables aux diodes biolaires e Si das la même gamme de teue e tesio et de calibre e courat. Ceedat, la riciale différece réside das l absece de charges stockées iduisat l absece de tems de recouvremet our évacuer ces charges lors de la commutatio. Les diodes Schottky e SiC sot doc mieux adatées et euvet avatageusemet remlacer les diodes biolaires e Si das les alicatios à haute fréquece. E 2002, Sigh et al. [38] ot réseté ue diode Schottky ayat ue surface active de 0,64 cm 2 et ouvat laisser asser u courat maximal de 130 A. Sa teue e tesio est de 300 V et il s agit de la diode Schottky e SiC la lus erformate e direct à ce jour. Cocerat la caacité à bloquer e iverse, lusieurs démostrateurs ot été résetés. Ces travaux mettet e évidece la difficulté à réaliser des rotectios érihériques our les diodes Schottky très haute tesio : lus la teue e tesio est élevée, lus il est difficile de réaliser ue rotectio efficace. A ce jour, la lus haute tesio bloquée ar ue diode Schottky, résetée e 2003 ar Zhao et al. [39], est de 10,8 kv. U substrat SiC-4H de tye N avec ue couche active N - (5, cm -3, 115 µm) a été utilisé our fabriquer cette diode. Sa rotectio érihérique est u MJTE (Multiste Juctio Termiatio Extesio) ayat ue efficacité de 70 %. L efficacité est défiie ici comme le raort etre la tesio de claquage maximale et la 23

25 tesio de claquage théorique calculée our ue joctio lae ifiie. La vue e coue de cette diode est résetée das la Figure 1-5. Figure 1-5 : Vue e coue de la diode Schottky 10,8 kv [39] E 2005, Nakamura et al. [40] ot réseté ue Schottky de 4,15 kv, soit à 90% de la teue e tesio théorique. Cette boe efficacité de rotectio est obteue ar la combiaiso d ue trile JTE (Juctio Termiatio Extesio) et d u aeau de garde. Récemmet, ue diode Schottky de 6,7 kv a été réalisée ar Vassilevski et al. [41]. Cette diode est rotégée que ar ue simle zoe JTE réalisée ar imlatatio de Bore. Pourtat sa teue e tesio atteit rès de 80% de la valeur théorique Diodes biolaires La diode biolaire est u comosat das lequel le courat est trasorté ar deux tyes de orteurs : majoritaires et mioritaires. E olarisatio directe, grâce à l ijectio de orteurs mioritaires, la coductivité de cette diode est lus grade. Aisi, ce tye de diode est-il lus itéressat que la diode Schottky à artir de tesios suérieures à 3 kv. Pour bloquer u tel iveau de tesio, la couche de dérive doit être assez éaisse, doc la résistace à l état assat de la diode Schottky e SiC augmete du fait de la résistace de cette couche. La joctio riciale de ce disositif est ormalemet réalisée ar imlatatio ioique das la couche éitaxiée, mais lusieurs démostrateurs récets résetet ue joctio réalisée ar éitaxie [42-44]. Cette techique résete l avatage de ermettre l obtetio d ue joctio lus abrute et la réalisatio d u émetteur lus éais tout e évitat les défauts créés ar l imlatatio. E revache, il est difficile de doer l émetteur à lus de cm

26 U grad ombre de diodes biolaires haute tesio ot été résetées au cours de ces derières aées. Cela cofirme la maturité de la filière SiC our les alicatios très haute tesio. U record de teue e tesio de 19,5 kv a été réseté ar Sugawara et al. [45] our les diodes de etite taille (diamètre < 1 mm). Ces diodes sot fabriquées sur u substrat SiC- 4H avec ue couche N - de 200 µm doée à cm -3. E direct, la desité de courat est de 100 A.cm -2 sous ue tesio de 6,5 V. U autre record de teue e tesio de 17,3 kv a été établi ar Das et al. [46] our les diodes de lus grade taille (diamètre = 3 mm). Ces diodes sot réalisées sur ue couche N - de 200µm doée à cm -3. E direct, la desité de courat atteit 100A.cm -2 sous 6,3 V. E lus de l augmetatio de la teue e tesio, les chercheurs ot aussi réalisé des diodes biolaires e SiC résetat u très bo comromis etre la teue e tesio et la erformace e direct. Das et al. [14] ot réseté e 2005 des diodes qui bloquet 10 kv e iverse avec u courat maximal e direct de 50 A. La chute de tesio à 100A.cm -2 est de 3,9 V. Des diodes de très grade surface active (1,5 cm 1,5 cm) ot été réalisées ar Hull et al. [47] e Avec ue telle surface, ces diodes euvet débiter u courat de 180 A. La chute de tesio est seulemet de 3,2 V our ue desité de courat de 100 A.cm -2. E iverse, elles tieet jusqu à 4,5 kv. La structure de ces diodes est résetée das la figure suivate : Figure 1-6 : Vue e coue de la diode biolaire (4,5 kv, 180 A) [47] U autre démostrateur résetat ue chute de tesio aussi faible et ue teue e tesio aussi élevée a été réalisé ar Peters et al. [42] e Cette diode bloque 6,5 kv e iverse et la desité de courat atteit 100 A.cm 2 à 3,4 V. 25

27 A oter que la rotectio érihérique de diodes biolaires haute tesio est gééralemet ue combiaiso de la gravure MESA et JTE ou multile JTE. Et our toutes les diodes biolaires citées ci-dessus, l émetteur est réalisé ar éitaxie et o ar imlatatio ioique Diodes JBSs La diode JBS est ue combiaiso des deux récédets tyes de diodes (PN+Schottky). Sa structure est ormalemet ue diode Schottky e arallèle avec ue joctio PN imlatée das la couche active. Cette structure ermet de cumuler les avatages de la Schottky e direct (faible chute de tesio à l état assat) et de la diode biolaire sous olarisatio iverse (faible courat de fuite et teue e tesio élevée). Le schéma de ricie d ue JBS est réseté das la Figure 1-7. Sous olarisatio directe, e régime de foctioemet ormal, le courat asse ar les caaux N sous le cotact Schottky. La chute de tesio est détermiée ar la hauteur de barrière de Schottky comme das ue diode Schottky. Aucu courat e asse ar les joctios P + N car la tesio aliquée est iférieure au seuil de coductio d ue joctio P + N. E iverse, ue zoe de charge d esace se crée autour des joctios P + N et s étale das le caal avat de le bloquer, ce qui ermet de réduire le cham électrique à l iterface métal/semi-coducteur. La largeur, l éaisseur et l esacemet des caissos P + aisi que le raort etre la largeur des caissos et la largeur des caaux sot les aramètres imortats à otimiser our obteir les meilleures caractéristiques. Cotact Schottky P + P + P + P + P + P + Eitaxie N - Substrat N + Cotact ohmique Figure 1-7 : Schéma de ricie d ue JBS L évolutio des erformaces des JBS e SiC est aussi remarquable que les diodes Schottky ou biolaires. La meilleure erformace des JBS e 2000 était obteue ar ue diode de 1500 V, 4A [48] et e termes de teue e tesio, ue JBS de 2,8 kv a été résetée 26

28 [49]. Plus récemmet ot été résetées des JBS de 3,5 kv avec u très faible courat iverse [50], de 5 kv, 9,5A [51] et de 10 kv, 20A [52]. 3. Coefficiets d ioisatio et état de l art de la détermiatio des coefficiets d ioisatio du SiC 3.1. Coefficiets d ioisatio das les semi-coducteurs Cosidéros u comosat à semi-coducteur sous olarisatio iverse. Plus la tesio de olarisatio e iverse augmete, lus la zoe de charge d esace du comosat s élargit et lus le cham électrique das cette zoe est élevé. Les électros et les trous, soumis à l actio de ce cham, sot accélérés et acquièret ue éergie ciétique. Si le cham électrique et le libre arcours des orteurs (distace arcourue des orteurs etre deux chocs) sot suffisammet grads, les orteurs euvet atteidre l éergie d ioisatio (éergie écessaire our roduire ue aire électro-trou ar imact) et euvet doc créer de ouvelles aires électro-trou lors de chocs avec des atomes du réseau. Les orteurs géérés sot eux aussi accélérés et euvet atteidre l éergie d ioisatio our créer de ouvelles aires électro-trou et aisi de suite. Ce héomèe cumulatif s aelle la multilicatio ar avalache, laquelle eut coduire au claquage du comosat. Ce mécaisme a été mis e évidece our la remière fois ar McKay et McAfee [53] et se caractérise ar les coefficiets d ioisatio α, our les électros et α, our les trous Modèles des coefficiets d ioisatio Plusieurs modèles de calcul des coefficiets d ioisatio α ot été roosés Modèle de Wolff Le remier modèle des coefficiets d ioisatio das les semi-coducteurs est ublié e 1954 ar Wolff [54]. L auteur a costruit ce modèle e résolvat l équatio de trasort de Boltzma our les forts chams électriques. Avec cette coditio, il a doc fait l hyothèse que l éergie erdue ar les orteurs lors du choc avec u hoo était très iférieure à celle acquise au cours d u libre arcours moye. Et que ar coséquet, tous les orteurs euvet atteidre as à as l éergie d ioisatio. So modèle des coefficiets d ioisatio roosé est le suivat: 2 ( B ) α ( F) = Aex F Équatio 1-14 où : F est le cham électrique, A, B sot des aramètres ajustables. 27

29 Modèle de Shockley Shockley a déveloé u modèle e imosat l hyothèse que seuls les orteurs qui atteiget l éergie d ioisatio lors d u uique libre arcours cotribuet à l ioisatio ar imact. Autremet dit, seuls les orteurs qui ot ue éergie élevée sot cosidérés et la distributio des orteurs ioisats est as isotroe das le cham électrique. Shockley [55] a réseté so modèle des coefficiets d ioisatio comme suit: qfli ( F) = L E R R E i ex qlrf α Équatio 1-15 où : q est la charge élémetaire, E R est l éergie erdue lors d ue collisio avec u hoo détermié idéedammet. Les autres aramètres sot ajustables : E i (éergie d ioisatio), L i (libre arcours moye ioisat) et L R (libre arcours moye etre deux chocs avec des hoos). L hyothèse de Shockley est valable que das ue gamme de cham électrique faible. So exressio des coefficiets d ioisatio est e accord avec les doées exérimetales ubliées ar Chyoweth [56] our les électros das le silicium, où la déedace des coefficiets d ioisatio e foctio du cham électrique est exrimée ar la formule emirique bie coue : Où : a, b sot des costates Modèle de Baraff ( b F ) α ( F) = aex Équatio 1-16 Baraff [57] a résolu l équatio de trasort de Boltzma et évalué la solutio obteue umériquemet. Rereos les termes défiis das le modèle de Shockley. Le modèle de Baraff est réseté sous forme d ue série de courbes (our différetes valeurs de E / E ) rerésetat la déedace de α e foctio de E i / qflr. Il a démotré que les résultats LR de Wolff et de Shockley sot des cas limites de so modèle gééral. E effet, les modèles de Wolff et de Shockley sot e accord avec so modèle resectivemet our R R qfl E et qflr E R. Plus tard, Crowell et Sze [58] ot étudié la déedace des coefficiets d ioisatio e temérature avec le modèle de Baraff. E itroduisat le ouveau terme <E R > (éergie moyee erdue lors d ue collisio) au lieu de E R, les courbes calculées umériquemet ar Baraff ot été remlacées ar l aroximatio suivate : R i 28

30 L R 2 ( ax + bx c) α = ex Équatio 1-17 Avec a 2 = r r 11,5 1,17 + 3, b 2 = 46r 11,9 r + 1,75.10 c = 757r 2 75,5r + 1,92 2 r < E E R = ; i > Ei < ER > ER x = ; = tah ql F E 2kT R R Modèle de Thorber Tadis que les modèles résetés ci-dessus se baset sur u modèle local où les coefficiets d ioisatio sot défiis ar le ombre de collisios ioisates que rovoque chaque orteur ar uité de logueur arcourue, Thorber [59] a costruit so modèle e artat d ue ouvelle rerésetatio de α. Pour lui, α est défii ar le ombre de orteurs ioisats ar uité de tems ar uité de volume ormalisé ar le flux icidet. Cette exressio de α ermet de redre e comte les effets o-locaux das so modèle, comme le seuil d éergie effectif et l esace-mort. Ce derier est la distace miimale que les orteurs doivet arcourir our atteidre l éergie ioisate. Cette distace est à distiguer de la distace moyee arcourue ar les orteurs etre deux collisios ioisates (le libre arcours moye ioisat) itroduit das le modèle local. Pour u cham électrique faible, le libre arcours moye est grad ar raort à l esace-mort doc le modèle local est raisoable. Par cotre, our les très forts chams électriques, où l iverse des coefficiets d ioisatio est comarable ou lus etit que l esace-mort, le fait de cosidérer que tous les orteurs ot la même robabilité d ioisatio quel que soit l edroit où ils sot créés coduit à ue erreur imortate. Ce modèle est réseté das l équatio suivate : ( F ) = F E ex F i α Équatio 1-18 i F ( 1+ F / F ) + R FkT Où E i est l éergie d ioisatio effective, F kt, F R, F i sot les chams miimaux (seuils) our surmoter le raletissemet des orteurs resectivemet dû à la diffusio quasiélastique, aux hoos otiques et à l ioisatio ar imact. Le oit le lus imortat est que so modèle e résete aucu libre arcours moye car, selo lui, les taux d émissio des hoos otiques et de créatio des aires électro-trou e euvet as être caractérisés e termes de libre arcours moye idéedat du cham électrique. 29

31 Détermiatio exérimetale des coefficiets d ioisatio Les coefficiets d ioisatio sot détermiés exérimetalemet ar la mesure du facteur de multilicatio M. Cosidéros ue joctio résetée das la figure suivate : Figure 1-8 : Joctio P + N sous olarisatio iverse L origie de l axe x est la joctio métallurgique, x et x corresodet aux limites de la zoe de désertio resectivemet das les couches et. Sachat que J, α et J, α rerésetet resectivemet le courat et le coefficiet d ioisatio des électros et des trous, la variatio des courats s écrit comme suit : dj dx Comme ous avos toujours le courat total : Doc : dj dx Et dj dx dj = = α J + α J Équatio 1-19 dx = + Équatio 1-20 J ( x) J ( x) J ( x) ( J J ) = ( α α ) J α J α J + α + = Équatio 1-21 ( J J ) = ( α α ) J α J = α J α Équatio 1-22 La solutio de l Équatio 1-21 doe le facteur de multilicatio des électros M et celle de l Équatio 1-22 doe le facteur de multilicatio des trous M. À artir de l Équatio 1-21, o obtiet : 30

32 A x ( α α ) dx x ( α α ) dx x x J e = Jα e dx + J x Équatio 1-23 x x x ( ) x = e suosat que J ( x ) >> J ( x ) ou ( x ) J ( x ) J, l Équatio 1-23 deviet : J ( x ) x ( α α ) x e dx = x x J ( x ) E divisat les deux côtés de l équatio ar J ( x ) : ( α α ) dx α e x dx + J x Équatio 1-24 x ( ) J J ( x ) ( x ) x ( α α ) x e dx = x x J J ( x ) ( x ) x ( α α ) dx α e x dx +1 Équatio 1-25 D où le facteur de multilicatio des électros M défii ar : M J = J ( x ) ( x ) x x ( α ) ( ) α dx x α α dx x x = e M α e dx + 1 Équatio 1-26 x Arès simlificatio de cette équatio, o aboutit à : M = 1 x x x ( α α ) x α e 1 dx dx Équatio 1-27 De la même faço, e résolvat l Équatio 1-22 avec la coditio ( x ) J ( x ) J >> o obtiet le facteur de multilicatio des trous : M = 1 x x x ( α α ) x α e 1 dx dx Équatio 1-28 Lorsque M ou M ted vers l ifii, ce qui corresod à l itégrale d ioisatio des électros II = x x x ( α α ) dx x α e dx ou des trous II = x x x ( α α ) dx x α e dx égale à 1, alors la tesio de claquage de la joctio est atteite. La détermiatio exérimetale des coefficiets d ioisatio cosiste à mesurer le facteur de multilicatio des électros M et des trous M e foctio de la tesio V sur la même joctio et à résoudre esuite l Équatio 1-27 et l Équatio 1-28 e resectat la 31

33 déedace du cham électrique des coefficiets d ioisatio α (F) et α (F) d u modèle choisi des coefficiets d ioisatio Etat de l art de la détermiatio des coefficiets d ioisatio das le SiC Les valeurs des coefficiets d ioisatio du SiC ubliées das la littérature sot eu ombreuses et disersées. Malgré tout, les auteurs sot d accord sur le fait que l ioisatio ar imact das le SiC est domiée ar les trous (α > α ). Das cette artie, u résumé des valeurs des coefficiets d ioisatio les lus utilisées et/ou les lus récetes das le SiC-4H et SiC-6H est réseté Les valeurs de α et α de Ruff et al. das le SiC-6H E 1994, Ruff et al. [60] ot réseté ue sythèse des aramètres our la simulatio des comosats e SiC-6H e remlaçat les aramètres du Si das les modèles hysiques ar les aramètres du SiC-6H corresodats reortés das la littérature. Ce travail a été cosidéré logtems comme ue référece das le domaie de la simulatio des comosats e SiC. E ce qui cocere les coefficiets d ioisatio, le modèle emirique de Chyoweth [56] a été choisi et les auteurs ot roosé les aramètres qui sot e effet ue moyee des aramètres reortés das la littérature de l éoque. Ces aramètres ot été esuite vérifiés ar ue comaraiso des résultats exérimetaux avec ceux de simulatios et u bo accord a été observé. Les valeurs des coefficiets d ioisatio das le SiC-6H roosées ar Ruff et al. sot les suivates : a (cm -1 ) b (Vcm -1 ) a (cm -1 ) b (Vcm -1 ) 1, , , , Tableau 1-12 : Valeurs des coefficiets d ioisatio das le SiC-6H [60] Les valeurs de α et α de Kostatiov et al. das le SiC-4H Les valeurs des coefficiets d ioisatio das le SiC-4H obteues ar Kostatiov et al. [5] e 1997 sot largemet utilisées das les simulateurs our la cocetio des comosats de uissace e SiC. Ces aramètres ot été déduits à artir de mesures du hotocourat sur des diodes biolaires ar la méthode OBIC (Otical Beam Iduced Curret). Les auteurs ot effectué les mesures sur des diodes avec la couche de dérive doée avec trois iveaux différets, ar cotre l éaisseur de ces couches est as récisée. Les diodes étudiées sot rotégées ar ue gravure mésa. Pour tester ces diodes, ue caméra sesible a 32

34 été utilisée afi d observer l image de l électrolumiescece lors du claquage. Des diodes exemtes de défauts microscoiques formet ue image de l électrolumiescece qui est homogèe. Les mesures OBIC ot doc été effectuées sur des diodes exemtes de défauts. Le laser utilisé est ue source UV He-Cd (325 m) et le hoto-courat est mesuré e mode DC. La rocédure d extractio des aramètres comorte deux étaes. Das u remier tems, les auteurs ot imosé que le raort etre le coefficiet d ioisatio des trous et celui des électros k = α / α soit idéedat du cham électrique et doc ce raort est costat P our chaque échatillo. La déedace des coefficiets e foctio du cham électrique das cette étae suit la formule : ( F / F ) α = α 0 ex 0 Équatio 1-29 Arès cette étae, les aramètres suivats sot déduits our l échatillo (l échatillo le mois doé) : α 0 = 1,63 10 cm, F P = 1,67 10 V / cm et k = 40. Das P 0 u deuxième tems, toutes les doées obteues exérimetalemet sur trois échatillos sot ajustées ar u seul modèle théorique des coefficiets d ioisatio : Pour les trous : Pour les électros : β th qf = h ε i ε h i ( ) qfλh / 3ε r + qfλh ex 2 Équatio 1-30 qf ex e ε i 3ε ε e = i r th 2 α Équatio 1-31 ( qfλ ) e Où λ h ( λ e ) et ε ( ε ) rerésetet resectivemet le libre arcours moye et l éergie h i e i d ioisatio des trous (électros). ε r est l éergie du hoo otique. h ε i Les aramètres obteus our le modèle théorique sot : λ = 32, 5 A, λ = 29, 9 A, = 7 ev, e ε i = 10 ev et ε r =0,12 ev. La déedace du cham électrique des coefficiets d ioisatio détermiée exérimetalemet our les trois échatillos avec les courbes ajustées ar les deux formules ci-dessus est résetée das la figure suivate : h e 33

35 Figure 1-9 : Déedace du cham électrique des coefficiets d ioisatio das le SiC-4H [5] Les valeurs de α de Raghuatha et Baliga das le SiC-4H et 6H Presque e même tems que Kostatiov et al., Raghuatha et Baliga [61] ot réseté les coefficiets d ioisatio de trous das le SiC-4H et das le 6H. E lus des aramètres à temérature ambiate, la déedace e temérature de ces coefficiets a été étudiée. Les diodes utilisées sot des diodes Schottky de tye P et la rotectio érihérique est assurée ar ue couche d imlatatio d argo. La techique EBIC (Electro Beam Iduced Curret) est utilisée das cette étude. D évetuels défauts das les diodes de test sot aussi détectés ar cette techique grâce à l image des défauts électriquemet actifs obteus. U autre avatage de cette méthode est la etite taille du faisceau électroique ermettat de soder des zoes de faço récise. L éaisseur et le doage de la couche éitaxiée caractérisat la teue e tesio sot détermiés récisémet sur chaque site de mesure ar la mesure C-V. Les doées obteues our les coefficiets des trous sot ajustées directemet avec la formule emirique de Chyoweth [56]. Les valeurs des coefficiets des trous à travers le wafer à temérature ambiate sot résetées das le Tableau 1-13: a (cm -1 ) b (Vcm -1 ) SiC-4H 6 ( 3,25 0,3) 10 SiC-6H 6 ( 2,6 0,12) 10 7 ± ( 1,79 ± 0,04) 10 1,5 ± 0,01 10 ± ( ) 7 Tableau 1-13 : Valeurs des coefficiets d ioisatio de Raghuatha et Baliga [61] La déedace e temérature de ces coefficiets est étudiée jusqu à 500K à l aide d u système de chauffage itégré das la cellule de mesure. Les auteurs ot observé que edat 34

36 la variatio de temérature, le coefficiet b reste cotat, tadis que le coefficiet a varie de faço liéaire avec la temérature comme suit : Pour le SiC-4H : Pour le SiC-6H : 6 a 4 6,3 10 1,07 10 T = Équatio a 3 4,6 10 7,4 10 T = Équatio 1-33 Cette déedace e temérature des coefficiets d ioisatio révoit ue augmetatio de la tesio de claquage quad la temérature augmete, c est-à-dire u coefficiet de temérature ositif de la tesio de claquage du SiC. Ce résultat est e accord avec les résultats récets [62], [63], alors que la déedace égative e temérature observée das certais cas [64], [65] est exliquée ar la résece de défauts das le SiC [66] Les valeurs de α et α de Ng et al. et de Loh et al. das le SiC-4H Ng et al. [67] ot réalisé les mesures sur des diodes PiN ayat ue couche i très fie, c est-à-dire qu ils ot mesuré les coefficiets d ioisatio sous des chams électriques élevés. La multilicatio des orteurs a aussi été mesurée ar la méthode OBIC mais ici lusieurs logueurs d ode du laser ot été utilisées (230 m, 325 m, 365 m), ce qui a ermis d avoir différets tyes d ijectio de orteurs. Les auteurs ot justifié que, our de telles fies couches, la cotributio de l esace-mort das la largeur de la zoe de multilicatio était imortate et qu il était doc écessaire d utiliser le modèle o-local [68] das ce cas, afi d étudier la multilicatio. La déedace des coefficiets d ioisatio e foctio du cham électrique est exrimée sous la forme suivate: b = a ex F c α Équatio 1-34 Où a, b,c sot les aramètres ajustables. Et les aramètres suivats sot trouvés our ajuster les résultats exérimetaux : 6 9, = 1,98.10 ex F 6 1,42 α Équatio , = 4,36.10 ex F 7 1,06 α Équatio

37 Ces coefficiets sot valables das u cham électrique élevé [1,8-4 MV/cm]. Le travail de Ng et al. a été oursuivi et comlété ar Loh et al. [69] e effectuat les mesures sur des diodes ayat ue couche i lus éaisse. Les mesures sot toujours réalisées avec lusieurs logueurs d ode du laser our avoir différets tyes d ijectio de orteurs. Les résultats obteus suivats sot valables das ue lus large gamme de cham électrique [0,9 5 MV/cm] : 6 1, = 2,78.10 ex F 7 1,37 α Équatio , = 3,51.10 ex F 7 1,09 α Équatio 1-38 La déedace e temérature des coefficiets d ioisatio das le SiC-4H a été égalemet étudiée ar Loh et al. das ue large gamme de temérature allat de 100K à 450K [70], [71]. Les résultats obteus variet e foctio de la gamme de temérature étudiée. Par cotre, u coefficiet de temérature ositif de la tesio de claquage est toujours observé Les valeurs de α et α de Hatakeyama et al. das le SiC-4H La articularité du travail de Hatakeyama et al. [72] est que les mesures des coefficiets d ioisatio ot été effectuées sur des diodes fabriquées sur deux substrats de SiC-4H orietés différemmet : l u orieté (0001) et l autre orieté (11 2 0). Le doage de la couche éitaxiée N varie de cm -3 à cm -3. La termiaiso des joctios est de tye mésa et la techique de mesure utilisée est similaire à celle utilisée ar Kostatiov et al. [5]. Les résultats de mesures motret que la tesio de claquage des diodes fabriquées sur le wafer (11 2 0) est égale à 60% de celle des diodes réalisées sur le wafer (0001) our le même iveau de doage. La variatio de la tesio de claquage suivat l orietatio du substrat a été déjà observée das le SiC-6H [73] et das le SiC-4H [74], mais c est la remière fois que les coefficiets d ioisatio sot mesurés sur deux substrats orietés différemmet. E utilisat la formule emirique de Chyoweth [56], les aramètres des coefficiets d ioisatio suivat l orietatio sot reortés das le Tableau 1-14 : 36

38 Paramètres a a b b Uité cm -1 V/cm (0001) (11 2 0) 1,76 1 3, ,10 1 2, ,30 1 2, ,70 1 1, Tableau 1-14 : Coefficiets d ioisatio suivat l orietatio das le SiC-4H Les auteurs trouvet que das la directio (0001) les coefficiets d ioisatio sot lus faibles que das la directio (11 2 0). Ce héomèe eut s exliquer ar l aisotroie de la vitesse de saturatio roveat de la structure électroique du SiC-4H. 4. Coclusio Les roriétés du SiC résetées das ce chaitre motret l avatage de l utilisatio de SiC e lieu et lace de Si das certais domaies d alicatio, e articulier our la haute tesio et la haute temérature. Les formidables rogrès techologiques das la filière SiC se traduiset ar u ombre imortat de démostrateurs e laboratoire et s exrimet à travers les comosats déjà disoibles sur le marché. Les coefficiets d ioisatio jouet u rôle imortat das la cocetio de comosats. Pourtat l état de l art de la détermiatio des coefficiets d ioisatio du SiC motre ue grade disarité de valeurs. Les valeurs ubliées sot e effet eu ombreuses et surtout différetes. Jusqu à réset, le laboratoire a utilisé resque exclusivemet les coefficiets détermiés exérimetalemet ar Kostatiov et al. das le SiC-4H. D ue art, arce que jusqu à récemmet, ils étaiet les seuls disoibles das la littérature, avec ceux de Raghuatha et Baliga. D autre art, arce qu ils doaiet les résultats les lus roches des valeurs exérimetales. Cela justifie et motive ecore l étude sur les coefficiets d ioisatio du SiC. 37

39 5. Bibliograhie du chaitre 1 [1] D. Tourier, Comosats de uissace e SiC - Techologie, Techiques de l'igéieur, 10-Fev [2] C. Rayaud, Proriétés hysiques et électroiques du carbure de silicium (SiC), Techiques de l'igéieur, 10-Mai [3] U. Lidefelt, Doig-iduced bad edge dislacemets ad bad ga arrowig i 3C, 4H, 6H SiC, ad Si, Joural of Alied Physics, vol. 84,. 5,. 2628, [4] D. Caughey et R. Thomas, Carrier mobilities i silico emirically related to doig ad field, Proceedigs of the IEEE, vol. 55,. 12, , [5] A. O. Kostatiov, Q. Wahab, N. Nordell, et U. Lidefelt, Ioizatio rates ad critical fields i 4H silico carbide, Alied Physics Letters, vol. 71,. 1, , Juillet [6] R. Raghuatha et B. J. Baliga, Temerature deedece of hole imact ioizatio coefficiets i 4H ad 6H-SiC, Solid-State Electroics, vol. 43,. 2, , Fév [7] J. Heidl, H. P. Struk, V. D. Heydema, et G. Pesl, Microies: Hollow Tubes i Silico Carbide, hysica status solidi (a), vol. 162,. 1, , [8] P. G. Neudeck, Electrical Imact of SiC Structural Crystal Defects o High Electric Field Devices, Materials Sciece Forum, vol. 338, , [9] R.T. Leoard, Y. Khlebikov, Adria R. Powell, C. Basceri, M.F. Brady, I. Khlebikov, Jaso R. Jey, D.P. Malta, Michael J. Paisley, Valeri F. Tsvetkov, R. Zilli, E. Deyeka, H.McD. Hobgood, Vijay Balakrisha, Calvi H. Carter Jr, 100 mm 4HN-SiC Wafers with Zero Microie Desity, Materials Sciece Forum, vol. 600,. 7-10, [10] M. Dudley et X. Huag, Characterizatio of SiC usig Sychrotro White Beam X-ray Toograhy, Materials Sciece Forum, vol. 338, , [11] E. Berkma, R.T. Leoard, Michael J. Paisley, Y. Khlebikov, Michael J. O'Loughli, Albert A. Burk, Adria R. Powell, D.P. Malta, E. Deyeka, M.F. Brady, I. Khlebikov, Valeri F. Tsvetkov, H.McD. Hobgood, Joseh J. Sumakeris, C. Basceri, Vijay Balakrisha, Calvi H. Carter Jr., C. Balkas, Defect Status i SiC Maufacturig, Materials Sciece Forum, vol. 615,. 3-6, [12] R. E. Stahlbush, M. Fatemi, J. B. Fediso, S. D. Arthur, L. B. Rowlad, et S. Wag, Stackig-fault formatio ad roagatio i 4H-SiC PiN diodes, J. Electro. Mater., vol. 31,. 5, ,

40 [13] H. Ledema, J. P. Bergma, F. Dahlquist, et C. Halli, Degradatio i SiC Biolar Devices: Sources ad Cosequeces of Electrically Active Dislocatios i SiC, Materials Sciece Forum, vol. 433, , [14] M. K. Das, J. J. Sumakeris, B. A. Hull, J. Richmod, S. Krishaswami, et A. R. Powell, Drift-Free, 50 A, 10 kv 4H-SiC PiN Diodes with Imroved Device Yields, Materials Sciece Forum, vol. 483, , [15] J. J. Sumakeris, M. K. Das, S. Y. Ha, E. Hurt, K. G. Irvie, M. J. Paisley, M. J. O'Loughli, J. J. Palmour, M. Skowroski, H. McD. Hobgood, C. H. Carter Jr., Develomet of Eitaxial SiC Processes Suitable for Biolar Power Devices, Materials Sciece Forum, vol. 483, , [16] J. J. Sumakeris, J. P. Bergma, M. K. Das, C. Halli, B. A. Hull, E. Jazé, H. Ledema, M. J. O'Loughli, M. J. Paisley, S. Y. Ha, M. Skowroski, J. J. Palmour, C. H. Carter Jr., Techiques for Miimizig the Basal Plae Dislocatio Desity i SiC Eilayers to Reduce V f Drift i SiC Biolar Power Devices, Materials Sciece Forum, vol. 527, , [17] A. A. Lebedev, Dee level ceters i silico carbide: A review, Semicoductors, vol. 33,. 2, , [18] W. Götz, A. Schöer, G. Pesl, W. Suttro, W. J. Choyke, R. Stei, S. Leibezeder, Nitroge doors i 4H-silico carbide, Joural of Alied Physics, vol. 73,. 7,. 3332, [19] G. Pesl et W. Choyke, Electrical ad otical characterizatio of SiC, Physica B: Codesed Matter, vol. 185,. 1, , Avr [20] T. Kimoto, A. Itoh, H. Matsuami, S. Sridhara, L. L. Cleme, R. P. Devaty, W. J. Choyke, T. Dalibor, C. Peermuller, G. Pesl, Characterizatio of high-quality 4H- SiC eitaxial layers, Silico Carbide ad Related Materials 1995, Jaa, , [21] A. Che et P. Srichaikul, Shallow Door Levels ad the Coductio Bad Edge Structures i Polytyes of SiC, hysica status solidi (b), vol. 202,. 1, , [22] W. Suttro, G. Pesl, W. J. Choyke, R. Stei, et S. Leibezeder, Hall effect ad ifrared absortio measuremets o itroge doors i 6H-silico carbide, Joural of Alied Physics, vol. 72,. 8,. 3708, [23] A. O. Evwaraye, S. R. Smith, et W. C. Mitchel, Shallow levels i -tye 6H-silico carbide as determied by admittace sectroscoy, Joural of Alied Physics, vol. 75, 39

41 . 7,. 3472, [24] C. Rayaud, F. Ducroquet, G. Guillot, L. M. Porter, et R. F. Davis, Determiatio of ioizatio eergies of the itroge doors i 6H-SiC by admittace sectroscoy, Joural of Alied Physics, vol. 76,. 3,. 1956, [25] C. Haberstroh, R. Helbig, et R. A. Stei, Some ew features of the hotolumiescece of SiC(6H), SiC(4H), ad SiC(15R), Joural of Alied Physics, vol. 76,. 1,. 509, [26] N. I. Kuzetsov, A. P. Dmitriev, et A. S. Furma, Proerties of a ceter associated with a Al imurity i 6H-SiC, Semicoductors, vol. 28,. 6, , Jui [27] T. Stiasy et R. Helbig, Imurities i 4H ad 6H SiC crystals, characterized by thermolumiescece ad thermally stimulated coductivity, reseted at the Silico Carbide ad Related Materials 1995, Jaa, , [28] M. Aiki, A. Lebedev, A. Syrki, et A. Suvorov, INVESTIGATION OF DEEP LEVELS IN SIC BY CAPACITANCE SPECTROSCOPY METHODS, SOVIET PHYSICS SEMICONDUCTORS, vol. 19,. 1, , [29] M. Ikeda, H. Matsuami, et T. Taaka, Site effect o the imurity levels i 4H, 6H, ad 15R SiC, Physical Review B, vol. 22,. 6,. 2842, [30] T. Troffer, C. Hassler, G. Pesl, K. Holzlei, H. Mitleher, et J. Volkl, Boro-related defect ceters i 4H silico carbide, Ist. Phys. Cof. Ser., vol. 142,. 281, [31] W. Suttro, G. Pesl, et P. Laig, Boro-related dee ceters i 6H-SiC, Alied Physics A Solids ad Surfaces, vol. 51,. 3, , [32] A. O. Evwaraye, S. R. Smith, W. C. Mitchel, et H. M. Hobgood, Boro accetor levels i 6H-SiC bulk samles, Alied Physics Letters, vol. 71,. 9,. 1186, [33] Microsemi. [Olie]. Available : htt:// [Accessed: 13-Se- 2010]. [34] CREE. [Olie]. Available: htt:// [Accessed: 09-Se-2010]. [35] Ifieo Techologies. [Olie]. Available: htt:// [Accessed: 13- Se-2010]. [36] STMicroelectroics. [Olie]. Available: htt:// [Accessed: 29-Ju-2011]. [37] SemiSouth Laboratories, Ic.. [Olie]. Available: htt:// [Accessed: 29-Ju-2011]. [38] R. Sigh, J. Cooer, M. Melloch, T. Chow, et J. Palmour, SiC ower Schottky ad PiN diodes, Electro Devices, IEEE Trasactios o, vol. 49,. 4, , [39] J. Zhao, P. Alexadrov, et X. Li, Demostratio of the first 10-kV 4H-SiC Schottky 40

42 barrier diodes, Electro Device Letters, IEEE, vol. 24,. 6, , [40] T. Nakamura, T. Miyaagi, I. Kamata, T. Jikimoto, et H. Tsuchida, A 4.15 kv mω cm2 4H-SiC Schottky-barrier diode usig Mo cotact aealed at high temerature, Electro Device Letters, IEEE, vol. 26,. 2, , [41] K. Vassilevski, I. P. Nikitia, A. B. Horsfall, N. G. Wright, A. G. O'Neill, K. P. Hilto, A. G. Muday, A. J. Hydes, M. J. Ure, C. M. Johso, High Voltage Silico Carbide Schottky Diodes with Sigle Zoe Juctio Termiatio Extesio, Materials Sciece Forum, vol. 556, , [42] D. Peters, W. Bartsch, B. Thomas, et R. Sommer, 6.5 kv SiC PiN Diodes with Imroved Forward Characteristics, Materials Sciece Forum, vol. 645, , [43] P. A. Losee, Y. Wag, C. H. Li, S. K. Sharma, I. Bhat, T. P. Chow, R. J. Gutma, Comarative Evaluatio of Aode Layers o the Electrical Characteristics of High Voltage 4H-SiC PiN Diodes, Materials Sciece Forum, vol. 600, , [44] W. Bartsch, R. Schoerer, et K. O. Dohke, Otimizatio of Biolar SiC-Diodes by Aalysis of Avalache Breakdow Performace, Materials Sciece Forum, vol. 645, , [45] Y. Sugawara, D. Takayama, K. Asao, R. Sigh, J. Palmour, et T. Hayashi, kv 4H-SiC i diodes with low ower loss, i Power Semicoductor Devices ad ICs, ISPSD '01. Proceedigs of the 13th Iteratioal Symosium o, , [46] M. K. Das, J. J. Sumakeris, M. J. Paisley, et A. R. Powell, High Power 4H-SiC PiN Diodes with Miimal Forward Voltage Drift, Materials Sciece Forum, vol. 457, , [47] B. A. Hull, M. K. Das, J. T. Richmod, J. J. Sumakeris, R. Leoard, S. Leslie, A 180 Am/4.5 kv 4H-SiC PiN Diode for High Curret Power Modules, i Power Semicoductor Devices ad IC's, 2006 IEEE Iteratioal Symosium o,. 1-4, [48] R. Sigh, S. Ryu, J. Palmour, A. Hefer, et J. Lai, 1500 V, 4 am 4H-SiC JBS diodes, i Power Semicoductor Devices ad ICs, Proceedigs. The 12th Iteratioal Symosium o, , [49] F. Dahlquist, J. Svedberg, C. Zetterlig, M. Östlig, B. Breitholtz, et H. Ledema, A 2.8kV, Forward Dro JBS Diode with Low Leakage, Materials Sciece Forum, vol. 338, , [50] P. Brosselard, N. Camara, V. Bau, X. Jorda, M. Vellvehi, P. Godigo, et J. Milla, Biolar Coductio Imact o Electrical Characteristics ad Reliability of 1.2- ad

43 kv 4H-SiC JBS Diodes, Electro Devices, IEEE Trasactios o, vol. 55,. 8, , [51] J. Hu, L. X. Li, P. Alexadrov, X. H. Wag, et J. H. Zhao, 5 kv, 9.5 A SiC JBS Diodes with No-Uiform Guard Rig Edge Termiatio for High Power Switchig Alicatio, Materials Sciece Forum, vol. 600, , [52] B. A. Hull, J. J. Sumakeris, M. J. O'Loughli, J. Zhag, J. Richmod, A. R. Powell, M. J. Paisley, V. F. Tsvetkov, A. Hefer, A. Rivera, Develomet of Large Area (u to 1.5 cm2) 4H-SiC 10 kv Juctio Barrier Schottky Rectifiers, Materials Sciece Forum, vol. 600, , [53] K. G. McKay et K. B. McAfee, Electro Multilicatio i Silico ad Germaium, Physical Review, vol. 91,. 5,. 1079, [54] P. A. Wolff, Theory of Electro Multilicatio i Silico ad Germaium, Physical Review, vol. 95,. 6,. 1415, [55] W. Shockley, Problems related to - juctios i silico, Solid-State Electroics, vol. 2,. 1, , IN9-IN10, 61-67, Ja [56] A. G. Chyoweth, Uiform Silico - Juctios. II. Ioizatio Rates for Electros, Joural of Alied Physics, vol. 31,. 7,. 1161, [57] G. A. Baraff, Distributio Fuctios ad Ioizatio Rates for Hot Electros i Semicoductors, Physical Review, vol. 128,. 6,. 2507, Déc [58] C. R. Crowell, Temerature Deedace Of Avalache Multilicatio I Semicoductors, Alied Physics Letters, vol. 9,. 6,. 242, [59] K. K. Thorber, Alicatios of scalig to roblems i high-field electroic trasort, Joural of Alied Physics, vol. 52,. 1,. 279, [60] M. Ruff, H. Mitleher, et R. Helbig, SiC devices: hysics ad umerical simulatio, Electro Devices, IEEE Trasactios o, vol. 41,. 6, , [61] R. Raghuatha et B. Baliga, Measuremet of electro ad hole imact ioizatio coefficiets for SiC, i Power Semicoductor Devices ad IC's, ISPSD '97., 1997 IEEE Iteratioal Symosium o, , [62] A. O. Kostatiov, N. Nordell, Q. Wahab, et U. Lidefelt, Temerature deedece of avalache breakdow for eitaxial diodes i 4H silico carbide, Alied Physics Letters, vol. 73,. 13,. 1850, [63] P. Neudeck et C. Fazi, Positive temerature coefficiet of breakdow voltage i 4H- SiC juctio rectifiers, Electro Device Letters, IEEE, vol. 18,. 3, , [64] R. Raghuatha, D. Alok, et B. Baliga, High voltage 4H-SiC Schottky barrier diodes, 42

44 Electro Device Letters, IEEE, vol. 16,. 6, , [65] K. V. Vassilevski, V. A. Dmitriev, et A. V. Zoreko, Silico carbide diode oeratig at avalache breakdow curret desity of 60 ka/cm2, Joural of Alied Physics, vol. 74,. 12,. 7612, [66] R. Raghuatha et B. J. Baliga, Role of defects i roducig egative temerature deedece of breakdow voltage i SiC, Alied Physics Letters, vol. 72,. 24,. 3196, [67] B.K. Ng, J.P.R. David, R.C. Tozer, G.J. Rees, Feg Ya, J.H. Zhao, M. Weier, Nolocal effects i thi 4H-SiC UV avalache hotodiodes, Electro Devices, IEEE Trasactios o, vol. 50,. 8, , [68] D. S. Og, K. F. Li, G. J. Rees, J. P. R. David, et P. N. Robso, A simle model to determie multilicatio ad oise i avalache hotodiodes, Joural of Alied Physics, vol. 83,. 6, , Mar [69] W.S. Loh, B. K. Ng, J. S. Ng, S. I. Soloviev, H. Y. Cha, P. M. Sadvik, C. M. Johso, J. P. R. David, Imact Ioizatio Coefficiets i 4H-SiC, Electro Devices, IEEE Trasactios o, vol. 55,. 8, , [70] W. S. Loh, J. P. R. David, S. I. Soloviev, H. Y. Cha, P. M. Sadvik, J. S. Ng, C. M. Johso, Avalache Multilicatio ad Imact Ioisatio i Searate Absortio ad Multilicatio 4H-SiC Avalache Photodiodes, Materials Sciece Forum, vol. 600, , [71] W. S. Loh, J. P. R. David, B. K. Ng, S. I. Soloviev, P. M. Sadvik, J. S. Ng, C. M. Johso, Temerature Deedece of Hole Imact Ioizatio Coefficiet i 4H-SiC Photodiodes, Materials Sciece Forum, vol. 615, , [72] T. Hatakeyama, T. Wataabe, T. Shiohe, K. Kojima, K. Arai, et N. Sao, Imact ioizatio coefficiets of 4H silico carbide, Alied Physics Letters, vol. 85,. 8, , [73] V. Saki, P. Shkrebiy, N. Savkia, et A. Leeva, Secificity of Electro Imact Ioizatio i Suerstructure Silico Carbide, Materials Sciece Forum, vol. 457, , [74] S. Nakamura, H. Kumagai, T. Kimoto, et H. Matsuami, Aisotroy i breakdow field of 4H SiC, Alied Physics Letters, vol. 80,. 18,. 3355,

45 Chaitre 2 : Cocetio et fabricatio des diodes OBIC Cocetio des diodes Descritio du remier jeu de masques et résultats de simulatio Descritio du remier jeu de masques Simulatio Descritio du deuxième jeu de masques et résultats de simulatio Descritio du deuxième jeu de masques Simulatios Wafers avec ue éitaxie de 3 µm (EC EV et CG EV) Wafer avec ue éitaxie de 4 µm (DE-EA449-10SY) Wafer avec ue éitaxie de 7 µm (Z ) Fabricatio des diodes Diodes du remier lot Diodes du deuxième lot Diodes du troisième lot Coclusio Bibliograhie du chaitre

46 Chaitre 2 : Cocetio et fabricatio des diodes OBIC Le but ricial de cette thèse est de détermier de faço exérimetale les coefficiets d ioisatio du SiC-4H et SiC-6H ar la techique OBIC. Pour cela, u grad ombre de diodes ot été fabriquées. Au total, deux jeux de masques ot été coçus et trois lots de diodes ot été fabriqués. Les deux remiers lots de diodes ot été réalisés avec le remier jeu de masques et le derier lot a été fabriqué e utilisat le deuxième jeu de masques. Ce chaitre décrit la cocetio et la rocédure de fabricatio de ces diodes. 1. Cocetio des diodes Deux jeux de masques ot été utilisés our fabriquer les diodes. Le remier jeu de masques a été coçu avat le début de cette thèse, le deuxième a été coçu à la fi de la deuxième aée de thèse suite aux résultats obteus sur les comosats fabriqués avec le remier jeu de masques, et e teat comte du savoir-faire de otre équie aisi que des équiemets disoibles. Cette artie résete e détail ces deux jeux de masques aisi que les simulatios réalisées afi d otimiser les aramètres des diodes à fabriquer Descritio du remier jeu de masques et résultats de simulatio Descritio du remier jeu de masques Ce jeu de masques a été coçu our fabriquer quatre tyes de diodes das u même «ru»: diodes biolaires rotégées ar JTE ou MESA et diodes Schottky rotégées ar JTE ou MESA. Sur les iveaux de métallisatio, il y a doc quatre arties différetes. Ce jeu de masques est costitué de six iveaux (Tableau 2-1): N Nom Active IMP1 IMP2 MESA Metal_thi Metal_thick Tableau 2-1 : Tableau des iveaux de masques Le remier iveau ermet de graver les motifs d aligemet écessaires our les étaes de lithograhie suivates. Le deuxième iveau ermet de défiir les zoes de tye P + ou N + à imlater our la joctio riciale des diodes biolaires. Le troisième iveau ermet de défiir les zoes de tye P ou N à imlater our la oche latérale des diodes rotégées ar JTE. 45

47 Le quatrième iveau ermet de défiir les zoes à graver our les diodes rotégées ar MESA. Le ciquième iveau sert à défiir les métallisatios fies our le cotact ohmique des diodes biolaires ou le cotact Schottky des diodes Schottky. Le sixième iveau ermet de défiir les métallisatios éaisses our améliorer le cotact ou faire la soudure avec les fils de bodig das les mesures. Les motifs sot groués ar cham. La taille du cham élémetaire est de 9280 µm 5870 µm. U chemi de découe est révu etre chaque cham. Chaque cham est comosé de deux cellules avec u chemi de découe etre les deux. La vue géérale du cham élémetaire des diodes rotégées ar JTE, dot la logueur de la oche est fixée à 250 µm, est résetée das la Figure 2-1 (la artie des diodes MESA est similaire à cette artie avec la JTE remlacée ar la gravure MESA). Cotrôle lithograhique Croix D1 D4 S1 D2 Nom D1 D4 D1 D4 S1 Effet Hall D1 D3 S1 D2 D2 D1 D2 TLM D1 D2 D1 D1 D2 ML D10 D3 D2 D10 D10 D10 D10 D10 D4 D3 D10 D10 Figure 2-1 : Vue géérale du cham élémetaire La dimesio des diodes est reortée das le Tableau 2-2. Diode Circulaire Rectagulaire. Emetteur (µm) D1 x 250 D2 x 400 D3 x 1000 D4 x 400 D10 x 300 x 400 Tableau 2-2 : Dimesio des diodes La articularité de ce jeu de masques se trouve das les iveaux des métallisatios. Afi de laisser asser le laser das la mesure OBIC, la métallisatio fie des diodes biolaires est 46

48 as etière : il y a e effet ue feêtre au milieu. Pour les diodes Schottky, la métallisatio est etière mais elle doit être assez fie our être semi-trasarete our le laser. La métallisatio éaisse est esuite déosée sur ue artie de la métallisatio fie comme le motre la figure suivate (la métallisatio fie est e gris et la métallisatio éaisse est e bleu) : (a) (b) Figure 2-2 : Vue du cham élémetaire avec les iveaux de métallisatio (métallisatio fie (a) et métallisatio fie + métallisatio éaisse (b)) La vue e coue schématique de quatre tyes de diodes ouvat être réalisés avec ce jeu de masques est résetée das la figure suivate : Schottky JTE Schottky MESA Métal éais Métal trasaret Métal éais Métal trasaret P - P - Ei tye N - Ei tye N - Substrat tye N + Métallisatio Biolaire JTE Substrat tye N + Métallisatio Biolaire MESA Métal éais Feêtre otique Métal fi Métal éais Feêtre otique Métal fi P + P - P - Ei tye N - P + Ei tye N - Substrat tye N + Métallisatio Substrat tye N + Métallisatio Figure 2-3 : Vue e coue schématique de quatre tyes de diodes 47

49 Les séqueces des étaes hoto-lithograhiques sot doées das le Tableau 2-3. Schottky JTE Schottky MESA Biolaire MESA Biolaire JTE Active Active Active Active IMP2 MESA IMP1 IMP1 Metal_thi Metal_thi MESA IMP2 Metal_thick Metal_thick Metal_thi Metal_thi Metal_thick Metal_thick Tableau 2-3 : Séqueces des étaes hoto-lithograhiques Simulatio Au vu des résultats obteus avec les diodes du remier lot fabriquées avec ce remier jeu de masques au tout début de cette thèse, résultats qui sot détaillés lus e avat das ce mémoire, ous avos décidé de cocevoir les ouvelles diodes (deuxième lot) avec ce même jeu de masques mais seules les diodes biolaires rotégées ar JTE sot fabriquées. Comme le jeu de masques a été déjà fait et qu u seul substrat SiC-4H était à disositio à l éoque, la simulatio est effectuée our chercher la dose otimale our la rotectio érihérique des diodes ar JTE. Le logiciel utilisé our la simulatio des comosats est Setaurus [1], qui est basé sur la méthode des élémets fiis. Les aramètres des coefficiets d ioisatio our le SiC-4H itroduits das le logiciel sot ceux de Kostatiov et al. [2] et de Raghuatha et Baliga [3]. Le matériau de déart est u substrat SiC-4H avec ue couche éitaxiée de 5 µm doée à cm -3. La structure simulée avec ue couche d air de 20 µm e dessus de la face avat et ue logueur de la JTE fixée à 250 µm dot 10 µm de recouvremet das la zoe de la joctio riciale est résetée das la Figure

50 Figure 2-4 : Structure simulée avec ue couche d air de 20 µm et ue logueur de la JTE fixée à 250 µm dot 10 µm de recouvremet das la zoe de la joctio riciale Les résultats issus des simulatios de la teue e tesio e foctio de la dose d imlatatio de la JTE sot résetés das la Figure Raghuatha et Baliga Kostatiov et al. V max =1170V Teue e tesio(v) V max =905V 600 5,0x ,0x ,5x ,0x ,5x10 13 Dose(cm -2 ) Figure 2-5 : Variatio de la teue e tesio e foctio de la dose d imlatatio de la JTE des diodes réalisées sur le wafer SiC-4H (5µm, cm -3 ) 49

51 Nous observos u grad écart de la teue e tesio etre les deux aramètres des coefficiets d ioisatio utilisés. Cela est dû aux coefficiets d ioisatio ubliés ar Raghuatha et Baliga beaucou lus faibles que ceux résetés ar Kostatiov et al.. E effet, our le SiC-4H, les coefficiets de Kostatiov et al. sot les lus utilisés das la simulatio des comosats. Das les deux cas, u lateau des doses otimales est observé et la teue e tesio avec la dose otimale atteit lus de 96 % de la teue e tesio das le volume (V max ). La dose de 1, cm a été choisie our l imlatatio de la JTE des diodes. Cette dose reteue est raisoable si l o cosidère les deux résultats de simulatio et état doé que lorsque la dose déasse les valeurs otimales, la teue e tesio dimiue brutalemet Descritio du deuxième jeu de masques et résultats de simulatio Arès avoir achevé la fabricatio des diodes du deuxième lot et les avoir caractérisées, au vu du bo redemet obteu, ous tetos de oursuivre la fabricatio de ouvelles diodes (troisième lot) das cette voie, c est-à-dire de fabriquer les diodes biolaires avec la rotectio JTE. Afi d élargir l étude sur l ifluece de la surface active, de la logueur des oches et du «chael-stoer», u ouveau jeu de masques est réalisé. Les simulatios sot effectuées our rechercher la dose otimale de la JTE. Elles ot aussi our but de ercevoir l ifluece du «chael-stoer» et de la logueur des oches. Nous disosos de quatre wafers de SiC-4H our réaliser les ouvelles diodes OBIC avec ce deuxième jeu de masques. Les caractéristiques des wafers sot résumées das le tableau suivat : Nom Z EC EV CG EV DE-EA449-10SY Fabricat Cree II-VI II-VI SiCrystal Date d achat Dimesio 2 ouces 3 ouces 3 ouces 3 ouces Substrat N + N + N + N + Ei N / 3,5E15 / 7µm Buffer N / 2E18 / 0,5 µm. Ei 1 N / 5E15 / 3 µm. Ei 1 P / 2E18 / 2 µm. Ei 2 P / 5E15 / 3 µm. Buffer N / 1E17 / 1 µm. Ei 1 N / 9E15 / 11 µm. Tableau 2-4 : Caractéristiques des wafers du SiC-4H our la réalisatio des diodes du troisième lot Le quatrième wafer (DE-EA449-10SY) a été ajouté à la fabricatio de diodes das u secod tems. Il a ue couche d éitaxie éaisse de 11 µm et était iitialemet révu our réaliser des diodes haute tesio, ce qui est as adaté à otre bac de mesure OBIC. Nous avos doc décidé d elever 7 µm ar olissage our qu il e reste que 4 µm d éaisseur. La simulatio est effectuée avec ue couche d éitaxie de 4 µm our ce wafer. 50

52 Descritio du deuxième jeu de masques U ouveau jeu de masques est réalisé ar otre équie. Il est costitué de euf iveaux. Le om et la descritio des iveaux de masques sot résetés das le Tableau 2-5. Par raort au remier jeu de masques, celui-ci a quatre ouveaux iveaux : u iveau our réaliser le «chael-stoer», u iveau our la assivatio et deux autres iveaux our la gravure du SiC et la métallisatio de l aode des diodes quasi-verticales fabriquées sur le wafer CG EV. N Nom 0 ALIGN : Chemi de découe et motifs d aligemet. 1 EMET : Imlatatio d émetteur. 2 C.STOP : Imlatatio du «chael-stoer» de largeur de 10µm. 3 JTE : Imlatatio de la oche avec 10 µm de recouvremet das la zoe d émetteur. 4 ETCHING : Gravure rofode, distace etre la gravure et l extrémité de comosats de 20 µm. 5 ACTIVE : Passivatio et ouverture du cotact. 6 METAL.1 : Métallisatio fie our cotact ohmique face avat avec feêtre otique ou o. 7 METAL.2 : Ti/Ni/Au surmétallisatio. 8 METAL.3 : Métallisatio fie our cotact ohmique sur la artie gravée. Tableau 2-5 : Nom et descritio des iveaux de masques La vue e coue des diodes verticales réalisées sur les trois wafers de tye N et des diodes quasi-verticales réalisées sur le wafer de tye P aisi que les séqueces des étaes hoto-lithograhiques sot doées das le tableau suivat : 51

53 Diode verticale Métal éais Feêtre otique Passivatio N + P + N + P - P - Ei tye N - Substrat tye N + Métal fi Métal éais Métallisatio Diode quasi-verticale Feêtre otique Métal fi Passivatio P + N - N + N - P + Ei 2 tye P - Ei 1 tye P + Substrat tye N Métallisatio ALIGN EMET C.STOP JTE ACTIVE METAL.1 METAL.2 ALIGN EMET C.STOP JTE ETCHING ACTIVE METAL.3 METAL.1 METAL.2 Tableau 2-6 : Vue e coue des diodes et séqueces des étaes hoto-lithograhiques Les motifs sot groués ar cham. La taille du cham est de 8000 µm 8000 µm et la comositio d u cham élémetaire est le suivat: - Motifs d aligemet. - 2 motifs TLM : 1 sur la couche P+(ou N+ das le cas d imlatatio N+) et 1 sur la couche P- (N-) avec le P+ (N+) sous les lots métalliques. - Motif SIMS JTE rectagulaire. - Les diodes euvet être grouées comme suit : Groue 1 : Diodes à logueur JTE variable avec feêtre otique et «chael-stoer» 4 diodes cylidriques : émetteur 250 µm, JTE variable (sas JTE, 10, 20, 250 µm). 4 diodes rectagulaires : émetteur 300x400 µm, JTE variable (sas JTE, 10, 20, 250 µm). «chael-stoer» de 10 µm de largeur et distace «chael-stoer» - JTE de 140 µm. Groue 2 : Diodes à logueur JTE variable avec feêtre otique mais sas «chaelstoer» 52

54 4 diodes cylidriques : émetteur 250 µm, JTE variable (sas JTE, 10, 20, 250 µm). 4 diodes rectagulaires : émetteur 300x400 µm, JTE variable (sas JTE, 10, 20, 250 µm). Groue 3 : Diodes à logueur JTE costate de 250 µm avec feêtre otique, sas «chael-stoer» 3 diodes rectagulaires : dimesio d émetteur de 300x400 µm. 3 diodes cylidriques : diamètre d émetteur de 250 µm. 2 diodes cylidriques : diamètre d émetteur de 400 µm. Groue 4 : Diodes à logueur JTE costate de 250 µm sas feêtre otique, sas «chael-stoer». 4 diodes cylidriques : diamètre d émetteur de 100, 150, 250, 400 µm. Groue 5 : Diodes Schottky avec diamètre de 300 µm à logueur JTE variable das le cas des trois wafers d éi N (our le wafer d éi P, elles devieet les lots de métal éais sur la artie P + gravée). U récaitulatif des diodes Schottky sur les wafers de tye N est réseté das le Tableau 2-7. Schottky S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 JTE (µm) Tableau 2-7 : Récaitulatif des diodes Schottky d u cham élémetaire du deuxième jeu de masques 2 séries de 7 diodes cylidriques : émetteur de 300 µm, JTE variable. U récaitulatif des diodes biolaires sur u cham est reorté das le Tableau 2-8 et la vue géérale du cham élémetaire est résetée das la Figure

55 Diode Cylid. Rectag. Emet. (µm) JTE (µm) Feêtre ot. Cha. sto. D1 x 300 x x x D2 x 300 x x x D3 x 300 x x x D4 x 300 x x x D5 x x D6 x x D7 x x D8 x x D9 x 300 x x D10 x 300 x x D11 x 300 x x D12 x 300 x x D13 x x x D14 x x x D15 x x x D16 x x x D17 (3 diodes) x 300 x x D18 (2 diodes) x x D19 (3 diodes) x x D20 x D21 x D22 x D23 x Tableau 2-8 : Récaitulatif des diodes biolaires d u cham élémetaire du deuxième jeu de masques 54

56 Groue 1 Groue 3 S1a S1b D1 D17a D19a D16 S2a S2b D2 S3a D15 D17b S3b D19b D3 D14 D19c S4a D17c S4b TLM1 TLM2 D4 S5a D13 S5b D5 D18a SIMS D6 S6a D12 S6b D7 S7a D11 D18b S7b D23 D8 D9 Groue 2 D10 D20 D21 D22 Groue 4 Figure 2-6 : Vue géérale d u cham élémetaire du deuxième jeu de masques 55

57 Simulatios Les simulatios réalisées avec les caractéristiques des wafers idiquées das le Tableau 2-4 sot résetées das les arties suivates. Les simulatios ot été effectuées avec ue couche d air de 20 µm comme le motre la Figure 2-4. Précisos que our ces simulatios, seuls les coefficiets d ioisatio de Kostatiov et al. ot été utilisés Wafers avec ue éitaxie de 3 µm (EC EV et CG EV) La variatio de la teue e tesio e foctio de la dose de la JTE des diodes our ue logueur totale de la JTE de 260 µm (250 µm effective car il y a 10 µm de recouvremet das l émetteur) est résetée das la Figure 2-7. Nous avos obteu u lateau des doses otimales très large (de 0,7 à 1, cm -2 ) et la teue e tesio atteit 99% de la teue e tesio théorique (V max ) Tesio de claquage Teue e tesio(v) V max =570V 400 5,0x ,0x ,5x ,0x ,5x ,0x ,5x10 13 Dose JTE (cm -2 ) Figure 2-7 : Variatio de la teue e tesio e foctio de la dose d imlatatio de la JTE des diodes réalisées sur les wafers avec ue éitaxie de 3 µm Lors de la variatio à la fois de la dose et de la logueur de la JTE, ous avos toujours u large évetail de doses otimales et l o atteit la même teue e tesio sauf our les très faibles valeurs de la logueur de la JTE (Figure 2-8). Aucue ifluece du «chaelstoer» a été observée lors de la simulatio. La dose de l imlatatio de la JTE des diodes. 1, cm a été choisie our 56

58 Teue e tesio(v) µm 160µm 60µm 30µm 20µm 15µm 12µm Dose JTE (x cm -2 ) Figure 2-8 : Teue e tesio e foctio de la dose et our lusieurs logueurs de la JTE des diodes réalisées sur les wafers avec ue éitaxie de 3 µm Wafer avec ue éitaxie de 4 µm (DE-EA449-10SY) La variatio de la teue e tesio e foctio de la dose de la JTE des diodes our ue logueur totale de 260 µm est résetée das la Figure 2-9. Nous avos obteu u évetail de doses otimales mois large que das le cas récédet (de 1,2 à 1, cm -2 ) et la teue e tesio atteit 98% de la teue e tesio théorique (V max ). La dose de reteue our l imlatatio de la JTE des diodes fabriquées sur ce wafer. 1, cm a été Teue e tesio (V) Teue e tesio V max =740 V Dose JTE (x10 12 cm -2 ) Figure 2-9 : Variatio de la teue e tesio e foctio de la dose de la JTE des diodes réalisées sur le wafer avec ue éitaxie de 4 µm 57

59 Wafer avec ue éitaxie de 7 µm (Z ) La teue e tesio est beaucou lus sesible à la variatio de la dose de la JTE our ce wafer, comme le motre la Figure La lage des doses otimales est réduite et se situe das la gamme de 1, cm -2 à 1, cm -2. La teue e tesio atteite avec ces doses otimales rerésete 98% de la teue e tesio théorique (V max ). Pour ce wafer, la dose otimale choisie est de 1, cm V max =1285 V Teue e tesio (V) Teue e tesio Dose JTE (x10 12 cm -2 ) Figure 2-10 : Variatio de la teue e tesio e foctio de la dose de la JTE des diodes réalisées sur le wafer avec ue éitaxie de 7 µm 58

60 2. Fabricatio des diodes Les diodes des deux remiers lots ot été fabriquées e grade artie sur la late-forme de l INL (Istitut des Naotechologies de Lyo) ar os sois Diodes du remier lot Les diodes du remier lot sot fabriquées avec le remier jeu de masques sur deux wafers (u wafer de SiC-4H et u autre de SiC-6H). Sur chaque wafer, quatre tyes de diodes différetes ot été fabriqués. Les diodes Schottky rotégées ar JTE sot rassemblées das le quart A, celles rotégées ar MESA das le quart B. Les diodes biolaires rotégées ar MESA sot réalisées das le quart C, et celles rotégées ar JTE das le quart D. Le om, les caractéristiques aisi que les tyes de diodes réalisées sur ces wafers sot résetés das le Tableau 2-9. La fabricatio de ces diodes a été commecée avat le début de cette thèse et achevée edat la remière aée de thèse. Les détails des «rocess-flows» de fabricatio sot doés e aexe I. Wafer AD (SiC-4H) Wafer V (SiC-6H) A : Diode Schottky JTE B : Diode Schottky MESA C : Diode biolaire MESA D : Diode biolaire JTE Tableau 2-9 : Récaitulatif des wafers our la réalisatio des diodes du remier lot 59

61 2.2. Diodes du deuxième lot Les diodes du deuxième lot sot fabriquées avec le remier jeu de masques mais seules les diodes biolaires rotégées ar JTE sot fabriquées. Ces diodes sot fabriquées sur deux quarts d u wafer de SiC-4H. L éaisseur et le doage de la couche d éitaxie sot resectivemet de 5 µm et de cm -3 (Figure 2-11). Ce wafer est vedu our la fabricatio de comosats de 600V. La fabricatio de ces diodes est etièremet effectuée edat cette thèse. Les détails du «rocess-flow» de fabricatio sot doés e aexe II. Figure 2-11 : Wafer AA-D3D3017-SY (SiC-4H) our la réalisatio des diodes du deuxième lot 2.3. Diodes du troisième lot La fabricatio des diodes du troisième lot sur les quatre wafers résetés das le Tableau 2-4 e utilisat le deuxième jeu de masques, a été cofiée au laboratoire CNM (Cetre Natioal de Microélectroique) à Barceloe. Les diodes sot fabriquées avec les rocess stadards au CNM, avec la dose otimale our la JTE des diodes trouvée ar simulatio das la artie Coclusio La techique OBIC écessite d avoir des diodes dot la teue e tesio s aroche le lus ossible de la teue e tesio théorique, i.e. dot le claquage a lieu e volume. Il est doc imortat de soiger la cocetio des érihéries de joctio. Malgré cela, de ombreuses diodes réalisées e satisfot as les coditios. C est our cette raiso qu il a été écessaire de réaliser lusieurs lots de comosats. 60

62 4. Bibliograhie du chaitre 2 [1] Syosys Ic., Setaurus Device User Guide, Versio E [2] A. O. Kostatiov, Q. Wahab, N. Nordell, et U. Lidefelt, Ioizatio rates ad critical fields i 4H silico carbide, Alied Physics Letters, vol. 71,. 1, , Juillet [3] R. Raghuatha et B. J. Baliga, Temerature deedece of hole imact ioizatio coefficiets i 4H ad 6H-SiC, Solid-State Electroics, vol. 43,. 2, , Fév

63 Chaitre 3 : Caractérisatio des diodes et extractio des aramètres du SiC ar caractérisatios électriques et OBIC Pricie et alicatios de la techique OBIC Itroductio Détermiatio exérimetale des coefficiets d ioisatio Détermiatio le facteur de multilicatio ar avalache Exressio du courat hoto-gééré global Calcul des courats hoto-géérés Courat hoto-gééré das la zoe de charge d esace Courats hoto-géérés das les zoes eutres Etude de la distributio du cham électrique et détermiatio de la durée de vie des mioritaires Etude de la distributio du cham électrique Détermiatio de la durée de vie des mioritaires Bac exérimetal OBIC Résultats de mesures et discussios Diodes OBIC du remier lot Diodes fabriquées sur le wafer SiC-4H tye N (AD ) Diodes Schottky Diodes biolaires Diodes fabriquées sur le wafer SiC-6H tye P (V ) Diodes Schottky Diodes biolaires Diodes OBIC du deuxième lot Diodes OBIC du troisième lot Coclusio Bibliograhie du chaitre

64 Chaitre 3 : Caractérisatio des diodes et extractio des aramètres du SiC ar caractérisatios électriques et OBIC Ce chaitre décrit tout d abord le ricie et les alicatios de la techique OBIC, e articulier our la détermiatio des coefficiets d ioisatio. Ue descritio du bac exérimetal OBIC est esuite résetée. La caractérisatio des diodes OBIC aisi que la discussio sur les résultats obteus sot détaillées das la troisième artie du chaitre. 1. Pricie et alicatios de la techique OBIC 1.1. Itroductio La techique OBIC (Otical Beam Iduced Curret) cosiste à géérer des orteurs e excès das le matériau ar u faisceau de laser et à mesurer le courat des orteurs géérés à l aide d u circuit extérieur. Le faisceau laser géère des orteurs libres (électros et trous) das le semi-coducteur jusqu à ue rofodeur qui déed de la logueur d ode utilisée. Le semi-coducteur est olarisé e iverse. Si les orteurs libres sot géérés das la zoe de charge d esace (ZCE) où rège u cham électrique, ou das ue zoe distate de la ZCE de mois d ue logueur de diffusio des orteurs libres, ils sot séarés, balayés et collectés ar les électrodes. Sio, ils se recombiet. E aalysat le courat des orteurs géérés, lusieurs aramètres du matériau et du comosat sous test euvet être déduits. Das la suite de cette artie, ous détaillos le ricie et l utilisatio de cette techique das la détermiatio des coefficiets d ioisatio du matériau, l étude de l efficacité de la rotectio latérale des comosats de uissace, aisi que das la détermiatio de la durée de vie des orteurs mioritaires Détermiatio exérimetale des coefficiets d ioisatio Détermiatio du facteur de multilicatio ar avalache E géérat des orteurs e excès das u semi-coducteur avec u faisceau focalisé à la surface, le coefficiet de multilicatio M, tel que défii das le chaitre 1, eut ici être exrimé ar l Équatio 3-1 : J h ( V ) M = Équatio 3-1 J ( ) h V 0 63

65 où J h (V) est le courat hoto-gééré sous ue tesio V et J h (V 0 ) est le courat hotogééré sous ue tesio à laquelle il y a as de multilicatio de orteurs, soit ormalemet à 0 V. Ces deux courats ouvat être mesurés, o eut détermier exérimetalemet le facteur de multilicatio e foctio de la tesio de olarisatio M(V) et jusqu à la tesio d avalache. Maiteat, résetos l exressio du courat hoto-gééré das la mesure OBIC Exressio du courat hoto-gééré global Rereos la joctio P + N sous ue olarisatio iverse das la artie du chaitre 1. Le faisceau de lumière est focalisé sur la face P +, l absortio des hotos etraîat la créatio de orteurs e excès se roduit lus ou mois à roximité de la face éclairée. Cela déed de la logueur d ode utilisée. Plaços-ous das u cas gééral où la créatio des orteurs se roduit das la couche P +, das la zoe de charge d esace (ZCE) et aussi das la couche N. Figure 3-1 : Joctio sous olarisatio iverse La variatio des courats résetée das l Équatio 1-19 s écrit à aisi de la faço suivate : dj dx dj = = J + α J dx où u ( x) est le taux de géératio ar éclairemet. Doc, l Équatio 1-21 et l Équatio 1-22 devieet : qu(x) α Équatio

66 Et : Or, e x dj dx dj dx ( α ) J + J qu = α α Équatio 3-3 ( α ) J J + qu = α α Équatio 3-4 x =, ous avos J = J x ), l Équatio 3-3 deviet : ( J x x ( α ) ( ) α dx x α α dx x x = e ( Jα qu) e dx + J( x ) Équatio 3-5 x O calcule l Équatio 3-5 e x = x : x x ( α ) ( ) α dx x α α dx x x J ( x) = e ( Jα qu) e dx + J ( x ) Équatio 3-6 x Comme le courat total J est toujours la somme de deux courats : J x ) = J J ( x ) Équatio 3-7 ( E remlaçat J x ) das l Équatio 3-6 ar so exressio das l Équatio 3-7, ous obteos : ( x x x ( ) ( ) ( ) α α dx x α α dx α α dx x x x J 1 e α e dx = e J ( x ) + J ( x ) x x x x ( α α ) dx ( α α ) x x que dx e x dx A artir de l exressio de M das l Équatio 1-28, ous avos : Équatio M = 1 x x x x ( ) ( ) dx ( ) dx x ( ) α α dx α α α α α α x x x x α e e dx = 1 e α e Doc l Équatio 3-8 s écrit sous la forme suivate: x x x dx dx Équatio 3-9 J M x ( α α ) x = e dx J ( x ) + J x ( α α ) dx ( α α ) dx x x ( x ) que dx e Équatio 3-10 x x x D autre art, à artir de l exressio de M et de M das l Équatio 1-27 et l Équatio 1-28, ous ouvos exrimer la relatio etre M et M comme suit : 65

67 M = M x ( α ) α x e dx Équatio 3-11 E itroduisat l exressio de M ci-dessus das l Équatio 3-10, ous avos : J = M J ( x ) + M J x x ( ) α α dx ( x ) M x que dx Équatio 3-12 x O défiit le facteur de multilicatio das la zoe de charge d esace : M ZCE = M x x ( α α ) x que x x x qudx dx dx Équatio 3-13 Et le courat de orteurs géérés das la zoe de charge d esace : J ZCE x = qudx Équatio 3-14 x Alors l Équatio 3-12 s écrit : Doc l Équatio 3-1 deviet : ( x ) + M J x M ZCE J ZCE J = M J ( ) + Équatio 3-15 ( x ) M J + M J ( x) + M ZCE J ZCE M = Équatio 3-16 J ( ) Nous allos esuite réseter le calcul des courats das chaque zoe Calcul des courats hoto-géérés Courat hoto-gééré das la zoe de charge d esace Le flux de lumière absorbé ar le matériau est exrimé das l Équatio 3-17: h V 0 φ = η( 1 R) φ0 Équatio 3-17 où : η est le redemet quatique du disositif (le raort du ombre de hotos absorbés sur le ombre de aires électro-trou créées), R est la réflectace de la surface du disositif et φ 0 est le flux icidet (ombre de hotos icidets ar uité de tems et de surface). suit [1]: Le taux de géératio otique ar uité de tems et de volume est calculé comme 66

68 u x ( x) = φαe α Équatio 3-18 où α est le coefficiet d absortio otique du matériau. Les valeurs du coefficiet d absortio et de la logueur de éétratio our le SiC-6H et le SiC-4H que ous utilisos sot résetées das le Tableau 3-1 [2], [3]: Logueur d ode SiC-6H SiC-4H λ (m) α (m -1 ) L (µm) α (m -1 ) L (µm) 333, , , , , ,8 Tableau 3-1 : Coefficiet d absortio otique et logueur de éétratio Remlaçat u(x) das l Équatio 3-14 ar so exressio das l Équatio 3-18, le courat hoto-gééré das la ZCE s écrit alors : J ZCE x αx αx = qφαe dx = qφ( e e ) Équatio 3-19 x αx Courats hoto-géérés das les zoes eutres Les courats hoto-géérés das les zoes eutres J (x ) et J (x ) sot les courats de diffusio. Ils sot doc calculés e résolvat les équatios de cotiuité das chaque zoe avec les coditios aux limites suivates : Das la zoe N : D 2 2 x τ + u( x) = 0 Équatio 3-20 Si x alors ( x) 0 et si x = x alors ( x ) = 0 Das la zoe P : D 2 2 x τ + u( x) = 0 Équatio 3-21 Si x = alors ( ) = 0 et si x = 0 alors S x x = D b x Où : S est la vitesse de recombiaiso e surface, τ et τ sot les durées de vie des électros et des trous, D et D sot les valeurs des coefficiets de diffusio des électros et des trous doées ar : x=0 67

69 kt = Équatio 3-22 q D, µ, Avec : k costate de Boltzma, µ, mobilité resectivemet des électros et des trous. Ue fois que (x) et (x) sot cous, J (x ) et J (x ) euvet être détermiés ar : J ( x) = qd Équatio 3-23 x x Et J ( x ) = qd Équatio 3-24 x x Les résultats sot : J αl d αx ( x ) = qφ e Équatio αld J αld x ) = qα 2 1 α L ( 2 d e αx L d ( S + D α ) αx x x e LdS cosh + D sih Ld L x x D + cosh LdS sih Ld Ld d L d α Équatio 3-26 Sur la base des équatios récédetes et e artat d u modèle des coefficiets d ioisatio choisi, il est ossible de calculer les trois facteurs de multilicatio M, M, M, de faço à ajuster les doées exérimetales M(V) de l Équatio 3-1, e faisat varier les aramètres du modèle des coefficiets d ioisatio choisi. Pour cela, u rogramme de calcul 1D sous Matlab a été déveloé. Ce tye de calcul est raide et ermet de trouver das u remier tems ue solutio aalytique arochée. Das u deuxième tems, les résultats arochés serot comarés avec les calculs comlets résultat des simulatios e 2D effectuées ar u logiciel de simulatio ar élémets fiis. 68

70 1.3. Etude de la distributio du cham électrique et détermiatio de la durée de vie des mioritaires Etude de la distributio du cham électrique Il est bie cou que our ue joctio lae quelcoque, la tesio de claquage est réduite du fait du resserremet des équiotetielles aux courbures, e articulier e érihérie de la joctio. Cela se traduit ar la résece d u ic de cham électrique très localisé e bordure du comosat qui rovoque u claquage rématuré. Pour limiter cet effet idésirable et obteir ue tesio de claquage la lus roche de la tesio théorique, lusieurs techiques ermettat ue meilleure réartitio du otetiel électrique à l extrémité de la joctio sot utilisées : laque de cham, aeau de garde, extesio de joctio (JTE) Selo le ricie de la techique OBIC, lus le cham électrique est élevé das la zoe où les orteurs sot géérés, lus le sigal OBIC est imortat. Doc e balayat la surface du comosat, ous ouvos observer la variatio du cham électrique et trouver l edroit où le cham électrique est le lus élevé, et aisi examier l efficacité de la techique de rotectio érihérique utilisée Détermiatio de la durée de vie des mioritaires Das la mesure OBIC, le courat hoto-gééré est mesurable quad les orteurs sot géérés das la ZCE, ou évetuellemet e dehors de la ZCE mais das la limite d ue logueur de diffusio. S il y avait as de diffusio, le sigal OBIC serait vertical à l extrémité de la joctio. E réalité, le sigal OBIC das cette zoe est as vertical mais dimiue rogressivemet avec l éloigemet de la JTE. Doc, il est ossible de détermier la logueur de diffusio des orteurs mioritaires e aalysat le sigal OBIC à cet edroit à artir des équatios résetées ci-dessous. Le courat hoto-gééré dimiue de faço exoetielle e foctio de la distace etre la ositio du faisceau de laser et le bord de la ZCE comme le motre l équatio suivate [4]: z J z) = u ex L d, ( Équatio 3-27 Où : u est le taux de géératio otique, z est la distace etre la ositio du faisceau laser et le bord de la ZCE et (électros ou trous). L d, est la logueur de diffusio des orteurs mioritaires 69

71 D autre art ous avos : L = Équatio 3-28 d D, τ,, Et D où : D µ,, = kt q Équatio Ld Ld q,, τ, = = Équatio 3-30 D ktµ Où : τ,, D,, µ, sot resectivemet la durée de vie, le coefficiet de diffusio et la mobilité des électros ou des trous, k est la costate de Boltzma, T est la temérature e Kelvi et q est la charge élémetaire.,, 2. Bac exérimetal OBIC Figure 3-2 : Bac exérimetal OBIC 70

72 Le bac exérimetal OBIC réseté ci-dessus a été mis au oit edat la thèse de Karie Isoird [5]. Nous exosos brièvemet ici la descritio et le ricie de foctioemet de ce bac. La source de lumière est u laser à Argo doublemet ioisé ermettat d obteir des logueurs d ode das l ultra violet, ce qui est adaté à la créatio de aires électro-trou ar absortio itrisèque das u matériau grad ga comme le SiC. Les trois logueurs d ode utilisables edat cette thèse sot : 333,6 m ; 351,1 m et 363,8 m. Le bac otique comorte ue série de letilles, u olariseur et u trou source. Il ermet d obteir sur l échatillo u sot de taille lus ou mois grade, le lus etit sot que ous ouvos obteir état de 3 µm de diamètre. Le faisceau laser, haché à la fréquece du choer, asse d abord das le olariseur de maière à être attéué uis il etre e rayo arallèle das L1 our e ressortir e rayo coverget vers le foyer ricial image de L1 qui est aussi le foyer ricial objet de L2. L1 et L2 formet doc u système afocal, qui trasforme u faisceau cylidrique e u autre faisceau cylidrique arallèle dot seul le diamètre est chagé. Le trou source est ositioé au voisiage du oit de focalisatio de L1 et L2, ce qui ermet d obteir la taille du sot voulue. E sortie de L2 o retrouve u faisceau arallèle qui est aisi evoyé sur la lame séaratrice ; là, ue artie est trasmise et va se erdre, l autre artie est réfléchie et evoyée vers L3. Le rôle de L3 est de focaliser le faisceau sur l échatillo situé das so la de focalisatio. Le raort de focales de L2 et L3 est de 1/3, ce qui ermet d obteir resectivemet u sot de 3 µm, 10 µm, 30 µm our des trous source de 10 µm, 30 µm, 100 µm. Ue artie du faisceau reçu ar l échatillo est réfléchie et revoyée vers L3 et la lame. La artie du faisceau trasmise ar la lame est focalisée ar L4 e u oit qui est situé das le la image. Ce oit costitue égalemet le oit de focalisatio de l objectif de la caméra, ce qui ous ermet de visualiser le sot obteu sur l échatillo. Le disositif sous test (DST) est moté sur des laties motorisées, ce qui offre la ossibilité de délacer le DST ar raort au sot de laser das les deux directios (x et y), our faire u balayage du diamètre ou ue cartograhie. La hauteur (z) eut être aussi réglée mauellemet our bie focaliser le faisceau à la surface du DST. Le DST est mis e série avec ue résistace et le courat hoto-gééré est mesuré aux bores de celle-ci à l aide d ue détectio sychroe (Staford Research Systems SR830). Ce circuit est olarisé ar ue source de tesio S.M.U. Keithley 237 ouvat délivrer ue tesio maximale de 1100V. E effet, le choer tourat à ue vitesse costate ermet de géérer des imulsios lumieuses à la fréquece f = 70 Hz. Le courat reçu ar la détectio 71

73 sychroe est la somme du courat d obscurité (le courat iverse du DST o éclairé) et du courat hoto-gééré (le courat iverse du DST soumis à u éclairemet ériodique). Le sigal de sortie de la détectio sychroe corresod seulemet au courat hoto-gééré. Les laties motorisées et les disositifs de mesure sot ilotés ar u ordiateur (PC) à l aide d u logiciel. Le balayage de la surface du DST ou le log d u diamètre s effectue à as costat défii ar l utilisateur. Le logiciel eregistre e même tems la ositio du DST et le sigal OBIC corresodat et affiche la variatio du sigal OBIC e foctio de la ositio du DST sur l écra de l ordiateur. 3. Résultats des mesures et discussios Avat de réseter les résultats des mesures, il est écessaire de raeler que toutes les diodes sot coçues et fabriquées das le but ricial de détermier les coefficiets d ioisatio ar la techique OBIC. Pour cela, la teue e tesio des ces diodes doit être la lus roche ossible de la tesio de claquage théorique. De même, le courat e iverse doit être suffisammet faible car sous l éclairemet du faisceau laser, ce courat augmete sigificativemet. Doc, ous ous itéresseros articulièremet au comortemet e iverse de ces diodes. Les mesures e direct sot effectuées our vérifier le bo foctioemet e direct, à savoir que toute la tesio est bie aliquée à la joctio riciale. Les défauts évetuellemet résets das le SiC ifluet la caractéristique e direct des diodes, ous ouvos doc voir si les diodes sot exemtes de défauts grâce à ces mesures Diodes OBIC du remier lot Comme cela a été réseté das le chaitre 2, toutes les diodes OBIC du remier lot fabriquées sur deux wafers sot achevées. Ceedat, les diodes rotégées ar MESA, que ce soiet les diodes biolaires ou Schottky, résetet u mauvais état de surface. Le courat asse ar la surface. Nous avos u courat de court-circuit etre les diodes comme le motre das la figure suivate. 72

74 -3 Id 1,0x10 5,0x10-4 I(A) 0,0-5,0x ,0x V(V) Figure 3-3 : Courat de surface mesuré etre deux diodes MESA du remier lot Quelques traitemets de la surface, comme l attaque chimique ou le lasma d oxygèe, ot été effectués, mais cela a aucue ifluece sur ce courat. Doc ous avos arrêté le test sur les diodes MESA. Das la suite de cette artie, les résultats obteus sur les diodes rotégées ar JTE sot résetées Diodes fabriquées sur le wafer SiC-4H de tye N (AD ) Diodes Schottky Toutes les diodes ot été testées e direct (de 0V à 4V) et e iverse jusqu à 150 V. Les caractéristiques de quelques diodes sot résetées das la Figure 3-4. I direct (A) A3D1c C3D1a C3D1b C3D1c C3D4a C3D10a C3D10b V direct (V) (a) I iverse (A) A3D1c C3D1a C3D1c C3D4a C3D10b V iverse (V) (b) Figure 3-4 : Caractéristiques e direct (a) et e iverse (b) des diodes Schottky réalisées sur le wafer SiC-4H de tye N (AD ) E direct, la caractéristique des diodes est as très stable car la métallisatio est très fie (10 m) et o recuite. Ceedat ous observos que la luart des diodes résetet 73

75 ue caractéristique tyique avec u seuil de tesio se situat vers 0,3 V, uis ue zoe où le courat augmete avec ue ete uique avat de s ifléchir vers 1,2 V. Certaies diodes motret u courat e excès dès 0 V et/ou avec u alier, avat de rejoidre la caractéristique tyique. E iverse, les diodes ot u courat de fuite élevé et aucue e tiet ue tesio de lus de 150 V. Le courat e iverse de la luart des diodes atteit 1 µa dès 30V. Ces diodes sot iadatées aux mesures OBIC. Nous avos doc décidé d arrêter le test sur ces diodes Diodes biolaires Les diodes ot été caractérisées e direct (de 0V à 5V). Nous avos détermié quatre comortemets différets. La luart des diodes ot u seuil de tesio situé vers 1,8 V. Esuite le courat croît de maière exoetielle avec u coefficiet d idéalité d eviro 1,9, ce qui sigifie u courat de recombiaiso domiat. Le oit d iflexio du courat vers la artie de la résistace série est de 2,8 V. Certaies diodes ot u seuil de tesio lus faible et ue zoe d idéalité lus etite avat de rejoidre la caractéristique ci-dessus. Les autres diodes ot u courat e excès dès 0 V et rejoiget la caractéristique tyique avec u ou deux aliers. Les caractéristiques e direct de ces diodes et la hotograhie d ue diode émettat de la lumière sous olarisatio directe sot résetées das la Figure 3-5. I direct (A) A_D2c 1B_D2c 2B_D4a 2C_D3a V direct (V) (a) (b) Figure 3-5 : Caractéristiques e direct (a) et hotograhie d ue diode éclairée sous olarisatio directe (b) des diodes biolaires réalisées sur le wafer SiC-4H de tye N (AD ) Les caractéristiques e iverse de ces diodes sot résetées das la Figure

76 I(A) A_D10c 1A_D2d 1A_D1b 1A_D4a 1B_D2a 1B_D1c 1B_D10c 2B_D4b 2B_D1c 2B_D2a 2B_D10b V(V) Figure 3-6 : Caractéristiques e iverse des diodes biolaires réalisées sur le wafer SiC-4H de tye N (AD ) Nous avos costaté que lus de la moitié des diodes ot ue caractéristique idetique : le courat iverse est faible jusqu à rès de 200 V, il augmete esuite et atteit la limite de courat vers 350 V. Le courat iverse de certaies diodes commece à augmeter à ue tesio lus élevée. Les autres diodes e tieet as la tesio ou ot u courat iverse imortat dès les faibles tesios. Das tous les cas, aucue diode atteit la teue e tesio écessaire our la détermiatio des coefficiets d ioisatio (eviro 500 V). Nous avos doc égalemet arrêté le test sur ces diodes Diodes fabriquées sur le wafer SiC-6H de tye P (V ) Diodes Schottky E direct, la luart des diodes coduiset avec u seuil de tesio lus grad (1,2 V) que les diodes Schottky de tye N résetées récédemmet. Leur zoe d idéalité s éted sur six décades avat d atteidre le iveau de courat où la résistace série iterviet, soit aux aletours de 2 V. Quelques diodes commecet à coduire avec u seuil de tesio lus faible, avat de rejoidre la caractéristique ci-dessus. Lors des tests e iverse, ous avos trouvé lusieurs diodes ayat u faible courat. Ces diodes semblet être adatées our les mesures OBIC. Les caractéristiques e direct et e iverse de ces diodes Schottky sot résetées das la figure suivate : 75

77 I direct (Acm -2 ) V0160_04_A2_Direct B2D2d B1D1b B1D10b V direct (V) (a) I iverse (A) B1D1a B1D10b B2D2d B2D2c C1D2a C2D10b C2D10d B1D1c V0160_04_A2_Iverse V iverse (V) (b) Figure 3-7 : Caractéristiques e direct (a) et e iverse (b) des diodes Schottky réalisées sur le wafer SiC-6H de tye P (V ) Les diodes ayat u faible courat e iverse sot aalysées avec des mesures OBIC. Ces mesures OBIC ot été effectuées avec ue logueur d ode de 363,8 m, das l air et à temérature ambiate. Les résultats obteus sur deux diodes sot reortés ci-dessous : I OBIC (A) V = 250 V = 150 V = 0 ic du sigal V0160_04_A2:B1D1c I OBIC (A) V0160_04_A2:B1D10b V = 100 V = JTE JTE Métal éais Cotact Schottky X (µm) (a) JTE JTE Cotact Schottky X (µm) (b) Métal éais Figure 3-8 : Sigal OBIC obteu sur deux diodes Schottky réalisées sur le wafer SiC-6H de tye P (V ) Le sigal OBIC est bie observé das la zoe du cotact Schottky, c est-à-dire que le faisceau laser eut asser à travers la métallisatio fie du cotact Schottky our éétrer das le SiC. Cette métallisatio est doc bie adatée our os mesures OBIC. E revache, o e voit as la résece des oches. Il y a as de sigal OBIC das la zoe des JTE our les deux diodes, même si o augmete la tesio de olarisatio iverse. De lus, lorsqu o 76

78 augmete ecore la olarisatio, le iveau de courat iverse croît fortemet et u ic de sigal OBIC est observé à la limite de joctio, ce qui témoige de la résece d ue zoe de cham électrique très élevé (Figure 3-8 (a)). Pourtat, e mesure I-V iverse, cette diode est testée jusqu à 400 V. Les JTE e jouet as ici leur rôle car l extesio latérale de la ZCE est as observée et u cham électrique élevé est réset au bord de la joctio. Ce roblème viet du fait que le doage des oches est tro faible ou que la métallisatio est as assez large our atteidre les oches. Nous avos doc décidé d elever les iveaux de métal déosés, uis d élargir la métallisatio du cotact Schottky. Arès élargissemet du cotact Schottky, l extesio latérale de la ZCE est bie visible (Figure 3-9 (b)). Ceci motre que les JTE ot bie joué leur rôle. E revache, le courat e iverse augmete beaucou, même avec les diodes ayat le courat e iverse le lus faible avat cette étae (Figure 3-9 (a)). Ce iveau de courat e ous ermet as d augmeter la olarisatio iverse das les mesures OBIC. Nous avos doc aussi arrêté les mesures OBIC sur ces diodes V0160_04_A2 Arès 10-9 V= -50 V I iverse (A) Avat B1D1b B1D1c B1D1b B1D1c I OBIC (A) Sur-métal. Cotact Schottky V iverse (V) (a) JTE JTE X (µm) (b) Figure 3-9 : Comaraiso du courat iverse (a) et sigal OBIC obteue arès élargissemet du cotact (b) des diodes Schottky réalisées sur le wafer SiC-6H de tye P (V ) Diodes biolaires Toutes les diodes ot été caractérisées e direct (de 0V à 5V) et trois comortemets différets ot été costatés. La caractéristique de la majorité des diodes est u seuil de tesio moye de 1,6 V. Le courat croît esuite de maière exoetielle sur set décades avec u coefficiet d idéalité roche de 2, ce qui sigifie u courat de recombiaiso. L iflexio de la courbe aaraît vers 2,7 V. Certaies diodes ot u seuil de tesio lus faible et ue zoe d idéalité variat de deux à quatre décades avat de rejoidre la remière caractéristique. Les autres diodes coduiset dès 0 V et la croissace du courat est o exoetielle sas 77

79 alier jusqu à rejoidre la remière caractéristique. Ce comortemet est gééralemet observé avec les diodes les lus grades. Les caractéristiques e direct de ces diodes et la hotograhie d ue diode éclairée sous olarisatio directe sot résetées das la Figure I direct (A) B_D1d 3B_D1e 3C_D4b 3A_D10b 3A_D3b 3A_d1c V direct (V) (a) (b) Figure 3-10 : Caractéristiques e direct (a) et hotograhie d ue diode éclairée sous olarisatio directe (b) des diodes biolaires réalisées sur le wafer SiC-6H de tye P (V ) E iverse, à l excetio de certaies diodes ayat u courat de fuite élevé ou qui e tieet as la tesio, ous avos trouvé quelques diodes ayat u très faible courat e iverse. Ces diodes sot doc itéressates our les mesures OBIC. Sur la Figure 3-11, ous résetos les caractéristiques e iverse des diodes testées jusqu à 450 V (a) et ue caractéristique tyique e iverse des meilleures diodes testées jusqu à 600 V (b). Cette valeur de la tesio iverse est comarable avec la valeur de la tesio de claquage théorique I iverse (A) A_D10b 3A_D10c 3A_D1c 2A_D1a 3B_D1e 2C_D10d 2B_D2c 2A_D10b V iverse (V) (a) I iverse (A) V iverse (V) (b) Figure 3-11 : Caractéristiques e iverse des diodes testées jusqu à 450 V (a) et caractéristique tyique e iverse des meilleures diodes testées jusqu à 600 V (b) 78

80 Les mesures OBIC ot doc été effectuées sur les diodes ayat la meilleure caractéristique e iverse. Ces mesures ot été faites avec ue logueur d ode de 363,8 m, das l air et à temérature ambiate. Le balayage comlet d u diamètre des diodes est réalisé. Le sigal OBIC mesuré e foctio de la ositio du faisceau du laser sur le comosat (our différetes tesios de olarisatio iverse) est motré das la Figure 3-12 et la Figure La Figure 3-12 résete le sigal OBIC obteu sur ue diode rectagulaire our laquelle la olarisatio e iverse est motée jusqu à 570 V. Le sigal OBIC mesuré jusqu à 575 V sur ue diode circulaire est réseté das la Figure I OBIC (A) A_D10b Feêtre JTE N + JTE X (µm) Métal V = 570 V = 560 V = 550 V = 540 V = 530 V = 520 V = 500 V = 480 V = 450 V = 400 V = 300 V = 200 V = 100 V = 50 V = 0 Figure 3-12 : Sigal OBIC e foctio de la ositio du faisceau laser sur la diode et our différetes tesios de olarisatio obteu sur ue diode biolaire rectagulaire du wafer SiC-6H de tye P (V ) 79

81 I OBIC (A) B_D1e Feêtre Métal JTE N + JTE X (µm) V = 575 V = 570 V = 565 V = 560 V = 555 V = 550 V = 545 V = 540 V = 535 V = 530 V = 520 V = 510 V = 500 V = 480 V = 450 V = 400 V = 300 V = 200 V = 100 V = 50 V = 0 Figure 3-13 : Sigal OBIC e foctio de la ositio du faisceau laser sur la diode et our différetes tesios de olarisatio obteu sur ue diode biolaire circulaire du wafer SiC-6H de tye P (V ) Nous ouvos bie observer la variatio du sigal OBIC tout au log du diamètre des diodes et e foctio de la olarisatio. L amlitude du sigal OBIC est costate das les oches et sous la joctio riciale jusqu à 450 V, ce qui sigifie que la distributio du cham électrique est assez uiforme. Pour ue tesio suérieure à 450 V, le sigal est lus grad sous la joctio riciale et à la limite de la joctio et des oches. Cette forme du sigal est coservée jusqu à la tesio maximale mesurée. Le calcul du facteur de multilicatio (M) e foctio de la tesio (V) est fait à artir du sigal OBIC obteu das la zoe de la joctio riciale. Les courbes M(V) costruites à artir des mesures OBIC sur trois diodes sot résetées das la Figure Nous ouvos costater que les courbes sot bie reroductibles our ces trois diodes. 80

82 80 Facteur de multilicatio A_D10b 3A_D10c 3B_D1e Tesio de olarisatio iverse (V) Figure 3-14 : Courbes M(V) obteues sur trois diodes différetes du wafer SiC-6H de tye P (V ) Pour le calcul aalytique aroché 1D, les aramètres d éaisseur et de doage de la couche d éitaxie (la couche teat la tesio) de la structure simulée itroduits das le rogramme de calcul doivet être récisémet détermiés ar les mesures de caacité-tesio C(V). Nous avos doc trouvé ue couche d éitaxie de 2 µm doée à cm. Ces aramètres sot validés ar la simulatio C(V) de la structure de test avec Setaurus et corresodet aux doées du wafer de déart et au rocess techologique de fabricatio. Les résultats des mesures C(V) aisi que le doage e foctio de la rofodeur de la couche d éitaxie déduits sot résetés das la figure suivate : 2,0x doage Caacité(F) 1,5x ,0x10-11 Simulatio Mesure Doage(cm -3 ) ,0x Tesio de olarisatio iverse (V) ,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 Eaisseur (µm) (a) (b) Figure 3-15 : Courbes C(V) mesurées et simulées (a) et doage e foctio de la rofodeur de la couche d éitaxie (b) de la structure de test du wafer SiC-6H de tye P (V ) 81

83 E utilisat le modèle des coefficiets d ioisatio de Chyoweth [6] réseté das le chaitre 1, les aramètres trouvés avec le calcul 1D our ajuster la courbe exérimetale sot décrits das le Tableau 3-2. Les coefficiets d ioisatio ubliés ar Ruff et al. [7] et ar Raghuatha et Baliga [8] sot aussi reortés à titre de comaraiso. a 6 1 ( 10 cm ) ( b 7 10 Vcm ) 1 SiC-6H a 6 1 ( 10 cm ) ( b 7 10 Vcm Ref. [7] 5,18 1,4 1,66 1,273 Ref. [8] 2,6 1,5 Ce travail 3,0 1,49 0,14 1,52 Tableau 3-2 : Paramètres des coefficiets d ioisatio du SiC-6H Das u deuxième tems, ous avos simulé la structure de test quasi-1d avec Setaurus e utilisat les aramètres trouvés ar le calcul 1D. Des simulatios avec Setaurus utilisat les aramètres relevés das la littérature ot été égalemet réalisées à titre de comaraiso. Comme Raghuatha et Baliga résetet seulemet les coefficiets our les trous, ous avos ris la même valeur du aramètre b (b =b ) et u raort etre a /a de 40 a été choisi lors de la simulatio. Les résultats des simulatios avec les aramètres trouvés das ce travail e comaraiso avec le résultat exérimetal et les résultats des simulatios avec les aramètres relevés das la littérature sot reortés das la Figure 3-16 : ) 1 Facteur de multilicatio Exérimetale Ce travail avec calcul 1D Ce travail avec Setaurus Raghuatha et Baliga avec Setaurus Ruff et al. avec Setaurus Tesio de olarisatio iverse (V) Figure 3-16 : Courbes M(V) exérimetale et simulées de la structure de test e SiC-6H Nous ouvos costater que les résultats du calcul 1D et de la simulatio ar Setaurus réalisée avec les aramètres trouvés sot resque idetiques. Notre rocédure d extractio des 82

84 coefficiets d ioisatio est doc validée. E comarat avec les résultats trouvés das la littérature, otre résultat est assez roche de celui de Raghuatha et Baliga mais les coefficiets des électros e sot as résetés das leur travail. E revache, la tesio de claquage obteue avec les aramètres de Ruff et al. est très faible ar raort à otre résultat. Les aramètres des coefficiets d ioisatio de Ruff et al. e sot doc as coveables our la simulatio de la tesio de claquage des comosats e SiC-6H. Comme cela a été réseté das le ricie des mesures OBIC, il est ossible de détermier la logueur de diffusio des orteurs mioritaires, e traçat la variatio du sigal OBIC e foctio de la ositio du faisceau laser sur l échatillo, avec ue échelle semilogarithme éérie (Figure 3-17). Pour ces diodes, ous avos trouvé ue ete de 0,06 à 0,07. La valeur de cette ete est légèremet lus imortate à haute tesio de olarisatio. Si l o red ue valeur moyee de 0,065, la logueur de diffusio calculée à artir de l Équatio 3-27 est doc de 15,36 µm. e -21 e -22 I OBIC (A) e -23 e -24 V = 100 V=0 e -25 Feêtre Métal e -26 JTE N + JTE Distace(µm) Figure 3-17 : Détermiatio de la logueur de diffusio à artir du sigal OBIC Pour ce qui est du calcul de la durée de vie des orteurs, si l o cosidère que la diffusio des électros erediculairemet à l axe c est rivilégiée, la valeur de la mobilité des électros µ à redre est de 400 (cm 2 V -1 s -1 ). Cela doe ue durée de vie des électros de 226,8 s (Équatio 3-30) Diodes OBIC du deuxième lot Les diodes biolaires rotégées ar JTE fabriquées sur deux quarts d u wafer SiC-4H de tye N (AA-D3D30-17-SY) sot achevées. Vu le ombre imortat de diodes sur les deux 83

85 quarts (eviro 500 diodes), les mesures I(V) e direct et e iverse sot effectuées à l aide d ue table sous oite semi-automatique. E olarisatio directe, ous retrouvos la caractéristique tyique déjà observée chez u grad ombre de diodes biolaires JTE e SiC-4H du remier lot : u seuil de tesio vers 1,8V, et ue croissace exoetielle de lusieurs décades avec u coefficiet d idéalité d eviro 1,9 avat de s ifléchir. Les autres caractéristiques des diodes ayat u courat de fuite sous le seuil ou des diodes ayat u courat e excès dès 0V sot égalemet observées. Les caractéristiques e direct des diodes sot résetées das la figure suivate. I direct (A) D1c D1d D2a D2c D3 D4a D4b D10a D10c D10d V direct (V) Figure 3-18 : Caractéristiques e direct des diodes OBIC du deuxième lot réalisées sur le wafer SiC-4H de tye N (AA-D3D30-17-SY) Lors de la mesure automatique e iverse, les diodes sot caractérisées das l air jusqu à 600 V et le courat est limité à 10-7 A. Ces deux valeurs sot fixées our éviter u claquage évetuel das l air et la dégradatio des diodes. Nous avos trouvé u bo ombre de diodes ayat u très faible courat e iverse à 600 V. Ces diodes ot doc ue teue e tesio suérieure à 600 V. Cette valeur de tesio corresod aussi à la valeur omiale de teue e tesio doée ar le fabricat du matériau (SiCrystal). Les différetes caractéristiques e iverse des diodes sot motrées das la Figure

86 AA_A_B D1a I iverse (A) D2b D2c D2d D3a D3b D10a D10b D10c D10d V iverse (V) Figure 3-19 : Caractéristiques e iverse des diodes OBIC du deuxième lot réalisées sur le wafer SiC-4H de tye N (AA-D3D30-17-SY) Nous avos classé les diodes e trois catégories. La remière comorte les diodes qui ot u courat iférieure à 10-7 A avec ue tesio maximale de 600 V (e rouge). La deuxième regroue les diodes qui atteiget 10-7 A à ue tesio située etre 200 V à 600 V (e bleu). La derière réertorie les diodes qui atteiget 10-7 A à mois de 200 V ou our lesquelles la métallisatio est mal défiie (as d ouverture de la feêtre otique) (couleur trasarete). Ue cartograhie des trois catégories de diodes sur deux quarts du wafer est résetée das les deux figures suivates : 85

87 Figure 3-20 : Cartograhie des diodes sur le quart A (e rouge : les diodes qui ot u courat iférieur à 10-7 A avec ue tesio maximale de 600 V ; e bleu : les diodes qui atteiget 10-7 A à ue tesio située etre 200 V à 600 V ; e couleur trasarete : les diodes qui atteiget 10-7 A à mois de 200 V ou our lesquelles la métallisatio est mal défiie) 86

88 Figure 3-21 : Cartograhie des diodes sur le quart C (e rouge : les diodes qui ot u courat iférieur à 10-7 A avec ue tesio maximale de 600 V ; e bleu : les diodes qui atteiget 10-7 A à ue tesio située etre 200 V à 600 V ; e couleur trasarete : les diodes qui atteiget 10-7 A à mois de 200 V ou our lesquelles la métallisatio est mal défiie) Arès avoir achevé les mesures semi-automatiques, ous avos testé ue dizaie de diodes sur chaque quart de laquette armi les meilleures e iverse jusqu à 950 V, avec ue limite de courat fixée à 10-6 A. Nous avos as fait le test our toutes les diodes car il résete le risque de détruire les comosats. Même si ue limite e courat est aliquée, il est ossible que l aareil de mesure e suive as l augmetatio brusque du courat e régime avalache. Cela coduirait à u bref assage de fort courat das le comosat, ce qui risquerait de le détruire. Il faut raeler que la tesio de claquage simulée avec les coefficiets d ioisatio de Kostatiov et al. [9] est de 900 V. Nous ouvos observer das la Figure 3-22 que les diodes euvet atteidre ue teue e tesio de 900 V voire déasser cette valeur, mais les allures des courbes sot différetes les ues des autres. La remière caractéristique observée (courbes rouge et jaue) est ue augmetatio du courat our les faibles tesios, même si ce courat reste ecore faible. Esuite le courat e varie resque as avat d augmeter à ouveau à artir de 650 V. La deuxième caractéristique (courbes bleues) réside das u courat très faible jusqu à 550V-650 V avat d augmeter. La derière caractéristique (courbe mageta) est costituée ar u 87

89 faible courat e iverse et ue augmetatio abrute à artir de 900 V ; cette caractéristique est ceedat observée que sur les diodes du quart A I iverse (A) C_A3_D10c C_B3_D1b C_B3_D1d C_B3_D1e C_B4_D10c A_D3_D1c A_C3_D1a A_B2_D1c V iverse (V) Figure 3-22 : Caractéristiques e iverse des meilleures diodes du deuxième lot réalisées sur le wafer SiC-4H de tye N (AA-D3D30-17-SY) Bie que ous ayios trouvé u bo ombre de diodes caractérisées ar u faible courat e iverse et ue teue e tesio roche de la valeur théorique lors des mesures OBIC, elles ot as toutes atteit le iveau de tesio ermettat de voir le régime d avalache das le volume. Autremet dit, elles ot as u toutes motrer u facteur de multilicatio élevé du sigal OBIC mesuré sous la joctio riciale. Avat de détailler les meilleurs résultats OBIC obteus, ous résetos les résultats de quelques diodes ayat as atteit le régime d avalache das le volume. Des mesures OBIC ot été faites avec ue logueur d ode de 333,6 ou 351,1 m, das l huile Galde et à temérature ambiate. Le héomèe le lus gééralemet observé est u ic du sigal OBIC à la érihérie du comosat. Cela sigifie ue zoe de cham électrique lus élevé qui coduit doc à u ré-claquage das cette zoe. Das la Figure 3-23, ous ouvos aisémet costater u ic de sigal à la limite de la zoe JTE (droite) à -750 V. E faisat le balayage du faisceau du laser uiquemet das la zoe de la joctio riciale, afi d éviter la zoe de cham électrique élevé, ous ouvos ecore augmeter la olarisatio jusqu à -830 V : le sigal OBIC observé est alors toujours costat. Au-dessus de cette tesio, le courat iverse total déasse la limite de courat cosidérée comme le claquage du comosat (10-5 A). 88

90 AA_D3D30/C_B2_D10b_351m I OBIC (A) Feêtre Métal V = -830 V = -810 V = -780 V = -750 V = -700 V = -600 V = -500 V = -400 V = -300 V = -200 V = -100 V = JTE JTE X(µm) P + Figure 3-23 : Sigal OBIC e foctio de la ositio du faisceau du laser et our différetes tesios de olarisatio d ue diode résetat u ic du sigal à la limite extérieure de la JTE Sur la Figure 3-24, ous résetos les mesures OBIC réalisées sur ue autre diode. Le ic du sigal est observé our cette diode à la limite etre la joctio et la JTE. Comme la zoe de cham électrique élevé se trouve à la limite de la joctio riciale, le ic du sigal OBIC est égalemet observé lorsqu o fait le balayage uiquemet das la joctio. Pour cette diode, la tesio maximale aliquée est de -820V. AA_D3D30/C_B2_D1c I OBIC (A) V = -820 V = -800 V = -750 V = -700 V = -600 V = -400 V = -200 V = -100 V = 0 Feêtre Métal JTE P + JTE X(µm) Figure 3-24 : Sigal OBIC e foctio de la ositio du faisceau du laser et our différetes tesios de olarisatio d ue diode résetat u ic du sigal à la limite itérieure de la JTE O costate égalemet que le sigal OBIC mesuré sur ces diodes fluctue sous la joctio riciale et qu il forme u ic das la zoe de la joctio riciale à haute tesio, 89

91 comme le motre la Figure Cette diode atteit ue tesio de olarisatio maximale de V. Celle-ci est lus grade que das les deux cas récédets mais elle reste lus faible que la valeur de tesio maximale résetée lus bas. Ce claquage rématuré eut être lié à u défaut das le matériau AA_D3D30_17/C_C2_D10d I OBIC (A) V = -880 V = -800 V = -700 V = -600 V = -500 V = -300 V = -100 V = 0 Feêtre Métal JTE P + JTE X(µm) Figure 3-25 : Sigal OBIC e foctio de la ositio du faisceau du laser et our différetes tesios de olarisatio d ue diode résetat u ic du sigal sous la joctio riciale Nous avos réseté ci-dessus quelques héomèes observés lors des mesures OBIC, emêchat d augmeter la tesio de olarisatio jusqu'à la valeur à laquelle le régime d avalache eut se roduire das le volume. Le sigal OBIC obteu our ue diode ayat atteit le régime d avalache das le volume est réseté das la Figure Comme ous ouvos le costater, la tesio de olarisatio iverse atteit ue valeur lus grade que celles résetées das les trois cas récédets, ce qui sigifie qu u facteur de multilicatio élevé est obteu. 90

92 I OBIC (A) JTE AA_A_B2_D1c Fêetre P + Métal JTE X (µm) V = -970 V = -965 V = -960 V = -955 V = -950 V = -945 V = -940 V = -930 V = -920 V = -910 V = -900 V = -890 V = -880 V = -850 V = -820 V = -800 V = -750 V = -700 V = -650 V = -600 V = -500 V = -400 V = -300 V = -200 V = -100 V = -50 V = 0 Figure 3-26 : Sigal OBIC e foctio de la ositio du faisceau du laser et our différetes tesios de olarisatio d ue diode ayat atteit le régime d avalache das le volume Les courbes du facteur de multilicatio (M) e foctio de la tesio de olarisatio (V) obteues sur trois diodes sot reortées das la Figure Nous costatos que l allure des courbes M(V) est bie idetique. Facteur de multilicatio AA_A_B2_D1c AA_A_C3_D1a AA_A_B2_D1d Tesio de olarisatio (V) Figure 3-27 : Courbes M(V) obteues sur trois diodes différetes du deuxième lot réalisées sur le wafer SiC-4H de tye N (AA-D3D30-17-SY) Les aramètres de la couche d éitaxie sot détermiés grâce à des mesures et à la simulatio de C(V). Les résultats sot résetés das la Figure Le doage et l éaisseur 16 3 de la couche trouvés sot resectivemet de 1,1 10 cm et de 4,4 µm. 91

93 25 2,0 Caacité (F) Mesure Simulatio Doage (x cm -3 ) 1,5 1, Tesio de olarisatio iverse(v) (a) 0,5 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 Eaisseur (µm) (b) Figure 3-28 : Courbes C(V) mesurée et simulée (a) et doage e foctio de la rofodeur de la couche d éitaxie (b) de la structure de test du wafer SiC-4H de tye N (AA-D3D30-17-SY) E utilisat le modèle des coefficiets d ioisatio de Chyoweth [6], les aramètres suivats sot trouvés our ajuster la courbe M(V) exérimetale ar le calcul 1D : a 7 1 ( 10 cm ) Paramètres des coefficiets d ioisatio b 7 1 ( 10 Vcm ) a 6 1 ( cm ) b 7 10 Vcm ( 10 ) SiC-4H 1,56 1,72 0,46 1,78 Tableau 3-3 : Paramètres des coefficiets d ioisatio du SiC-4H Les résultats de simulatio de la structure de test utilisat les coefficiets d ioisatio trouvés sot résetés das la Figure Des simulatios réalisées avec les coefficiets d ioisatio du SiC-4H relevés das la littérature sot aussi effectuées à titre de comaraiso. Les aramètres utilisés sot ceux de Kostatiov et al. [9], de Loh et al. [10] et de Hatakeyama et al. [11]. Nous avos as utilisé les coefficiets de Raghuatha et Baliga [8] our deux raisos. Premièremet, Raghuatha et Baliga e résetet que les coefficiets d ioisatio des trous et les valeurs ubliées sot très éloigées des résultats trouvés ar les autres auteurs. Deuxièmemet, au cotraire des valeurs des coefficiets d ioisatio our le SiC-6H our lesquelles ils ot motré u bo accord etre le résultat exérimetal et la simulatio, our le SiC-4H, ils ot as réseté ue comaraiso etre le résultat exérimetal et la simulatio. E simulat la structure de diode e SiC-4H résetée das leur ublicatio avec leurs coefficiets d ioisatio du SiC-4H ubliés, ous avos as trouvé de cohérece etre le résultat exérimetal (570 V) et celui simulé (700 V). 1 92

94 10 5 Facteur de multilicatio Exérimetale Ce travail avec calcul 1D Ce travail avec Setaurus Loh et al. avec Setaurus Hatakeyama et al. avec Setaurus Kostatiov et al. avec Setaurus Tesio de olarisatio iverse(v) Figure 3-29 : Courbes M(V) exérimetale et simulées de la structure de test e SiC-4H Nous ouvos observer que otre résultat est très roche de celui de Hatakeyama et al. et légèremet lus grad que celui de Kostatiov et al.. La simulatio avec les aramètres de Loh et al. doe le résultat le lus faible et est assez éloigé des autres résultats. La déedace des coefficiets e foctio du cham électrique est tracée das la Figure Nos coefficiets sot déduits das ue gamme de cham électrique comrise etre 1,5 et 2,7 MVcm -1. Ces valeurs corresodet resectivemet au cham électrique à artir duquel la multilicatio des orteurs commece et ce jusqu au cham de claquage. La déedace des coefficiets e foctio du cham électrique des autres auteurs est égalemet résetée. Les coefficiets d ioisatio valables das la gamme du cham électrique la lus large ot été ubliés ar Loh et al. (0,9 à 5 MVcm -1 ). 93

95 Coefficiets d'ioisatio (cm -1 ) α -Notre travail α -Kostatiov et al. α -Loh et al. α -Hatakeyama et al. α -Notre travail α -Kostatiov et al. α -Loh et al. α -Hatakeyama et al. 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Iverse du cham électrique x 10 6 (cm/v) Figure 3-30 : Déedace des coefficiets d ioisatio e foctio du cham électrique du SiC-4H 3.3. Diodes OBIC du troisième lot Les diodes du troisième lot fabriquées sur le wafer EC EV et le wafer DE- EA449-10SY sot caractérisées. Les diodes sur le wafer EC EV du fabricat II-VI e foctioet as e iverse. Tout le courat iverse asse ar la surface. Nous observos ue résistace arfaite à artir de la caractéristique I(V) e iverse de ces diodes et de la caractéristique I(V) mesurée etre deux oites de mesures osées à la surface (Figure 3-31). Ce roblème roviet eutêtre d ue cotamiatio de la surface e raiso de la o-assivatio des diodes ou de la qualité du wafer de déart. Ue assivatio est ajoutée sur les diodes fabriquées sur le deuxième wafer de II-VI. A oter qu ue imortate rugosité de la surface a été observée dès le début du rocess sur les deux wafers de II-VI. Ce roblème de courat de fuite doit être examié arès la fabricatio des diodes sur le deuxième wafer de II-VI. 94

96 4,0x10-5 3,5x10-5 3,0x10-5 I iverse I surface 2,5x10-5 I(A) 2,0x10-5 1,5x10-5 1,0x10-5 5,0x V(V) Figure 3-31 : Courats mesurés sur le wafer EC EV (I surface est le courat circulat etre 2 oites osées à la surface du wafer, I iverse est le courat mesuré aux bores d ue diode olarisée e iverse) Nous avos caractérisé les diodes sur ue moitié du wafer DE-EA449-10SY. Das u remier tems, les mesures sot effectuées sur ue table semi-automatique. E direct, our les diodes biolaires, ous avos retrouvé tous les comortemets observés sur les diodes du deuxième lot. Le comortemet tyique de la luart de ces diodes était u seuil de tesio situé vers 1,9 V et ue croissace exoetielle du courat de lusieurs décades qui s ifléchissait esuite. Pour les diodes Schottky, à l excetio de certaies diodes coduisat dès 0 V, la luart des diodes commecet à coduire vers 0,4 V, uis le courat augmete avec ue ete uique, avat d atteidre la zoe où la résistace série iterviet. La résistace série des diodes Schottky est légèremet lus etite que celle des diodes biolaires. Les caractéristiques tyiques des diodes biolaires et Schottky sot résetées das la figure suivate. 95

97 I direct (A) B5_Direct Biolaire Schottky V direct (V) Figure 3-32 : Caractéristiques e direct des diodes biolaires et Schottky réalisées sur le wafer SiC- 4H de tye N (DE-EA449-10SY) Lors des mesures automatiques e iverse das l air, les diodes sas rotectio sot testées jusqu à -200 V. Parmi les diodes rotégées, les diodes sas «chael-stoer» sot mesurées jusqu à -500 V et les diodes avec «chael-stoer» sot caractérisées jusqu à V. La limite de tesio est dimiuée our les diodes avec «chael-stoer» car lusieurs claquages das l air ot été observés arès les remières mesures. Pour ces tests, le courat est limité à 10-7 A. Pour les diodes Schottky, le courat est limité à 10-6 A et la tesio maximale aliquée est de -500 V. La luart des diodes biolaires motret u faible courat sous la olarisatio iverse aliquée. Cela cofirme u redemet élevé des diodes fabriquées sur ce wafer ar le CNM. Les diodes Schottky résetet des comortemets différets selo la localisatio des disositifs mesurés. Das u deuxième tems, les diodes sot testées das l huile Galde our éviter le claquage das l air. La tesio maximale atteite varie o seulemet selo la forme des diodes mais aussi selo l edroit de la mesure sur le wafer das la gamme de (-800 V ; V). Comme ces valeurs de tesio sot largemet suérieures à la valeur de tesio maximale détermiée ar simulatio (-740 V) et sot ar ailleurs très disersées, ue hyothèse s imose. E effet, o eut suoser que la couche de multilicatio est lus éaisse que révu et que cette éaisseur est hétérogèe. L estimatio de la largeur de la zoe de charge d esace (l éaisseur de la couche de multilicatio) ar les mesures C(V) sur les différets 96

98 sites a cofirmé cette hyothèse, motrat ue éaisseur variat etre 4 et 4,9 µm. Les aalyses SIMS effectuées sur deux chams doet des résultats différets sur l éaisseur totale de la couche éitaxiée (l émetteur imlaté lus la couche de multilicatio). Sur ue zoe aalysée au bord du wafer, ous avos ue éaisseur totale de 4 µm et sur ue zoe située au cetre du wafer, ue éaisseur de 6 µm a été obteue. Les résultats d aalyses SIMS sot résetés das la figure suivate : N Al éi A4 N Al Cocetratio (cm -3 ) éi-2 Substrat Cocetratio(cm -3 ) éi-2 éi-1 Substrat Profodeur (µm) Profodeur (µm) Figure 3-33 : Aalyses SIMS sur deux zoes du wafer SiC-4H de tye N (DE-EA449-10SY) Il faut raeler qu avat le rocess, ce wafer a subi u olissage our elever 7 µm afi qu il e reste que 4 µm au total. Doc cette o-homogééité de l éaisseur roviet eut-être de cette étae. Les caractéristiques des diodes sur u cham au milieu du wafer sot résetées das la Figure Nous observos que la caractéristique tyique de la luart des diodes est ue augmetatio o abrute du courat à artir de -500 V. Sur ce cham, seule la diode D20 (diode la lus etite sas feêtre otique) a u faible courat iverse et ce resque jusqu à la tesio d avalache. Pour ue même forme et ue même logueur de la JTE, les diodes avec «chael-stoer» (D15, D16) résetet u courat de fuite lus faible que les diodes sas «chael-stoer» (D7, D8). Ceedat, la tesio de claquage de toutes ces diodes est la même (-920 V). 97

99 10 0 I iverse (A) B5_Iverse D7 D8 D14 D15 D16 D21 D22 D V iverse (A) Figure 3-34 : Caractéristiques e iverse des diodes biolaires sur le cham B5 du wafer SiC-4H de tye N (DE-EA449-10SY) La caractéristique tyique des diodes (u faible courat iverse et ue augmetatio o abrute) est égalemet observée sur les autres chams testés, bie que la tesio ou le courat commecet à augmeter et que la tesio de claquage varie sur chaque cham. Cette variatio est due à la o-homogééité de l éaisseur costatée. Nous avos as trouvé de diodes avec feêtre otique résetat ue caractéristique abrute e iverse. Les mesures OBIC effectuées sur lusieurs diodes relèvet des ics de cham électrique lors du balayage du faisceau laser le log d u diamètre des diodes comme réseté das la artie récédete. E combiaiso avec les mesures OBIC sur les diodes du deuxième lot, ous ouvos coclure que l augmetatio o abrute du courat iverse sur lusieurs décades avat l avalache est le sige d u micro-claquage. Ceci e ermet as d effectuer des mesures OBIC sur ces diodes our la détermiatio des coefficiets d ioisatio. La Figure 3-35 résete les caractéristiques des diodes biolaires das u autre cham où la tesio maximale atteite est de 1050 V. Sur ce cham, les diodes commecet à fuir das la gamme allat de -400 à 750V. Ecore ue fois, seule la diode la lus etite sas feêtre résete ue caractéristique abrute e iverse. 98

100 10-3 D I iverse (A) D7 D8 D18a D18b D19c D20 D21 D V iverse (V) Figure 3-35 : Caractéristiques e iverse des diodes biolaires sur le cham D4 du wafer SiC-4H de tye N (DE-EA449-10SY) La Figure 3-36 résete le sigal OBIC mesuré sur la diode D8 résetée ci-dessus. Des mesures OBIC sot effectuées avec ue logueur d ode de 351 m, das l air et l échatillo est collé sur ue laque chauffate our des mesures e temérature. Cette diode tiet ue tesio suérieure à -700 V e mesure I(V) iverse mais lors des mesures OBIC, ous observos dès -100V u ic du sigal à la limite de la JTE. L itesité du sigal augmete avec la temérature alors qu il dimiue artout ailleurs, ce qui sigifie bie u coefficiet égatif de temérature our le micro-claquage V/23 C -100V/100 C 10-9 I OBIC (A) X (µm) Figure 3-36 : Sigal OBIC à deux temératures différetes sur ue diode résetat u microclaquage du wafer SiC-4H de tye N (DE-EA449-10SY) 99

101 4. Coclusio Trois séries de diodes ot été réalisées das le but ricial de détermier les coefficiets d ioisatio du SiC. Toutes les diodes fiies ot été caractérisées. Pour le remier lot de diodes, quatre tyes de diodes ot été fabriquées sur deux wafers, u e SiC-4H et u e SiC-6H. Ceci était evisagé au début de cette étude our la détermiatio des coefficiets de deux olytyes courats du SiC, aisi que our obteir ue ijectio mixte des orteurs avec les diodes biolaires ou ue ijectio d u seul tye de orteurs avec les diodes Schottky. Ceedat, la fabricatio de quatre tyes de diodes das ce cas etraîe u faible redemet de fabricatio. Toutes les diodes MESA e foctioet as e iverse e raiso d u mauvais état de surface et résetet doc u courat de fuite tro élevé. Pour les diodes Schottky, la écessité d ue métallisatio semi-trasarete our le faisceau laser est remlie avec ue couche de Ni de 10 m, mais la rotectio érihérique de tye JTE est as otimale sur les diodes Schottky our détermier les coefficiets d ioisatio. Cette rotectio est égalemet as otimale our les diodes biolaires JTE e SiC-4H. Les diodes biolaires JTE e SiC-6H foctioet aussi bie e direct qu e iverse. Nous avos u effectuer les mesures OBIC sur ces diodes uis e déduire les coefficiets d ioisatio du SiC-6H. Les diodes du deuxième lot fiies résetet u assez bo redemet. Ceedat, bie que la majorité des diodes tiet la tesio, le ombre de comosats ossédat ue caractéristique abrute est faible. E artat des mesures OBIC sur des boes diodes, ous avos détermié les coefficiets du SiC-4H et les avos comarés avec les valeurs das la littérature. Les diodes du troisième lot sot réalisées sur quatre wafers de différets fabricats. Les remières diodes fiies sot faites sur deux wafers, l u de II-VI et l autre de SiCrystal. Les diodes sur le wafer de II-VI e foctioet as e iverse car le courat de fuite est tro imortat. Ce roblème roviet d ue cotamiatio de la surface ou même de la qualité du wafer. Les diodes sur le wafer de SiCrystal ot u bo foctioemet e gééral mais la tesio maximale atteite e iverse varie suivat leur ositio sur le wafer. E lus, la caractéristique e iverse révèle u micro-claquage e ermettat as de mesurer les coefficiets d ioisatio sur ces diodes. Les résultats déduits des mesures sur les diodes das ce chaitre ot doé lieu à la ublicatio de deux revues [12], [13]. 100

102 5. Bibliograhie du chaitre 3 [1] D. Ioaou, Aalysis of the hotocurret decay (PCD) method for measurig mioritycarrier lifetime i solar cells, Electro Devices, IEEE Trasactios o, vol. 30,. 12, , [2] W. J. Choyke et L. Patrick, Higher Absortio Edges i 6H SiC, Physical Review, vol. 172,. 3,. 769, [3] S. G. Sridhara, T. J. Eerjesi, R. P. Devaty, et W. J. Choyke, Peetratio deths i the ultraviolet for 4H, 6H ad 3C silico carbide at seve commo laser umig wavelegths, Materials Sciece ad Egieerig B, vol. 61, , Juillet [4] T. Flohr et R. Helbig, Determiatio of miority-carrier lifetime ad surface recombiatio velocity by otical-beam-iduced-curret measuremets at differet light wavelegths, Joural of Alied Physics, vol. 66,. 7,. 3060, [5] K. Isoird, Etude de la teue e tesio des disositifs de uissace e carbure de silicium ar caractérisatios OBIC et électriques, thèse de doctorat, INSA de Lyo, 176., [6] A. G. Chyoweth, Uiform Silico - Juctios. II. Ioizatio Rates for Electros, Joural of Alied Physics, vol. 31,. 7,. 1161, [7] M. Ruff, H. Mitleher et R. Helbig, SiC devices: hysics ad umerical simulatio, Electro Devices, IEEE Trasactios o, vol. 41,. 6, , [8] R. Raghuatha et B. J. Baliga, Temerature deedece of hole imact ioizatio coefficiets i 4H ad 6H-SiC, Solid-State Electroics, vol. 43,. 2, , Fév [9] A. Kostatiov, Q. Wahab, N. Nordell, et U. Lidefelt, Study of avalache breakdow ad imact ioizatio i 4H silico carbide, Joural of Electroic Materials, vol. 27,. 4, , Avr [10] W.S. Loh, B. K. Ng, J. S. Ng, S. I. Soloviev, H. Y. Cha, P. M. Sadvik, C. M. Johso, J. P. R. David, Imact Ioizatio Coefficiets i 4H-SiC, Electro Devices, IEEE Trasactios o, vol. 55,. 8, , [11] T. Hatakeyama, T. Wataabe, K. Kojima, N. Sao, K. Shiraishi, M. Kushibe, S. Imai, T. Shiohe, T. Suzuki, T. Taaka, et K. Arai, Imact Ioizatio Coefficiets of 4H-SiC, Materials Sciece Forum, vol. 457, , [12] C. Rayaud, D. M. Nguye, N. Dheilly, D. Tourier, P. Brosselard, M. Lazar, et D. Plaso, Otical beam iduced curret measuremets: riciles ad alicatios to 101

103 SiC device characterizatio, hysica status solidi (a), vol. 206,. 10, , [13] D. M. Nguye, C. Rayaud, N. Dheilly, M. Lazar, D. Tourier, P. Brosselard, et D. Plaso, Exerimetal determiatio of imact ioizatio coefficiets i 4H-SiC, Diamod ad Related Materials, vol. 20,. 3, , Mar

104 Chaitre 4 : Caractérisatio des diodes Schottky, JBS et Zeer Caractérisatio des diodes Schottky et JBS e SiC-4H Itroductio Descritio des diodes de test Résultats des mesures C(V) e temérature Résultats des mesures de sectroscoie d admittace Coclusio Caractérisatio des diodes Zeer e SiC-4H Itroductio Présetatio des diodes de test Résultats des mesures et discussio Coclusio Bibliograhie du chaitre

105 Chaitre 4 : Caractérisatio des diodes Schottky, JBS et Zeer Ce chaitre décrit la caractérisatio de différets tyes de diodes fabriquées e SiC-4H ar des arteaires du laboratoire Amère : le CNM (Cetre Natioal de Microélectroique de Barceloe) et l ISL (Istitut fraco-allemad de recherches de Sait Louis). Ce sot les diodes Schottky, JBS et Zeer. Plusieurs techiques de caractérisatio sot utilisées our relever les caractéristiques de ces diodes : courat-tesio I(V), caacité-tesio C(V), sectroscoie d admittace et OBIC. 1. Caractérisatio des diodes Schottky et JBS e SiC-4H 1.1. Itroductio Comme cela a été réseté das le chaitre 1, les diodes JBS ot lusieurs avatages ar raort aux diodes Schottky (SBD) et biolaires. Das cette artie, les mesures de C(V) et de sectroscoie d admittace e temérature sot utilisées our étudier et comarer les caractéristiques des diodes JBS et SBD fabriquées, sur u même substrat de SiC-4H. Les mesures de C(V) ermettet de coaître le iveau de doage électriquemet actif et sa variatio e temérature. Les mesures de sectroscoie d admittace ermettet, quat à elles, de détermier l éergie d activatio des doats résets et leurs sectios efficaces de cature Descritio des diodes de test Les diodes ot été réalisées au Cetre Natioal de Microélectroique de Barceloe (CNM). U substrat de SiC-4H avec ue couche d éitaxie de tye N de 5 µm d éaisseur et doée à cm -3 est utilisé our la fabricatio de ces diodes. Les diodes sot rotégées ar JTE (Juctio Termiatio Extesio) our le foctioemet à haute tesio. La vue e coue d ue diode JBS est résetée das la Figure 4-1. Les diodes JBS ot des caissos P + de largueur L P et la distace etre les caissos est L N. Les diodes SBD sot similaires mais il y a as de zoes P + de largueur L P. Toutes les zoes doées de tye P sot réalisées ar imlatatio d alumiium. Le cotact d aode est réalisé ar u déôt de Ni recuit à 500 C. Le cotact ohmique sur la cathode est réalisé avec u rocess stadard du CNM. 104

106 Aode Passivatio P + P L P L N + N - : cm -3, 5µm P- N + Substrate Cathode L JTE Figure 4-1: Vue e coue de la diode JBS La géométrie et les aramètres des diodes sot résumés das le Tableau 4-1. Deux rocédés de fabricatio ot été utilisés our la réalisatio des diodes. Les diodes SBD (E, B) et les JBS (C, D) sot réalisées das le remier rocédé, les diodes SBD-ESC et les JBS-C1 sot fabriquées das le deuxième rocédé. Diodes Surface (mm 2 ) L (µm) L (µm) SBD-ESC 2,56 JBS-C1 2, SBD-E sas aeau + 4 SBD-B avec aeau + 2,56 JBS-C JBS-D 3, Tableau 4-1 : Géométrie riciale des diodes Schottky (SBD) et JBS Les diodes sot carrées et sot collées sur u suort ar ue laque coductrice, le cotact sur la face avat est assuré ar les fils de soudure (wire bodig). La hotograhie d ue diode sur so suort est motrée sur la Figure

107 Figure 4-2 : Photograhie d ue diode sur so suort 1.3. Résultats des mesures C(V) e temérature Les mesures de la caacité (C) e foctio de la tesio de olarisatio iverse (V R ) ermettet de calculer le doage et la hauteur de barrière de la joctio Schottky. Das le cas de la joctio PN, ces mesures doet le rofil de doage de la zoe la mois doée et le otetiel itere de la joctio. Les résultats obteus sur la diode SBD (B) et la diode JBS (C) sot reortés das la Figure 4-3 : 1/C² (10 19 F -2 ) K 150 K 200 K 250 K 295 K 350 K 400 K 450 K 500 K 550 K 600 K SBD-B 1/C² (10 19 F -2 ) 2,0 1,5 1,0 0,5 100 K 150 K 200 K 250 K 293 K 350 K 400 K 450 K 500 K 550 K 600 K JBS-C Tesio iverse (V) 0, Tesio iverse (V) (a) (b) Figure 4-3 : Tracé de 1/C 2 e foctio de la tesio iverse et de la temérature d ue diode SBD-B (a) et d ue diode JBS-C (b) Nous ouvos bie observer sur cette figure que le tracé de (1/C 2 vs V R ) des diodes doe ue droite, ce qui sigifie que le doage est homogèe das la couche d éitaxie. La ete de ces droites chage e foctio de la temérature, ce qui révèle ue variatio de 106

108 doage actif e foctio de la temérature. Le doage extrait et sa variatio e temérature sot exrimés das la Figure 4-4. Visiblemet le doage est lus faible à basse temérature du fait du gel des orteurs et il augmete avec la temérature jusqu à 300 K. Au-dessus de cette temérature, le doage reste costat. La différece de la valeur du doage extrait etre les JBS et les SBD eut être due à ue erreur das la rise e comte de la surface das le calcul. Nous avos e effet cosidéré que la surface est costate. E fait, cette surface est sous estimée das le cas de la JBS due à la modulatio de la zoe de charge d esace autour des caissos P +. E revache, ue même variatio de doage e temérature est toujours observée. 4,0 3,6 JBS(C) SBD(B) Doage (10 16 cm -3 ) 3,2 2,8 2,4 2,0 1,6 1, Temérature (K) JBS SBD Figure 4-4 : Doage actif e foctio de la temérature, calculé das les deux cas avec la même surface active corresodat à la surface de la métallisatio Résultats des mesures de sectroscoie d admittace Avat de décrire les résultats obteus ar sectroscoie d admittace, ous raelos ici le ricie de cette techique. La sectroscoie d admittace a été déveloée au début des aées 70, d abord ar Losee [1], esuite ar Vicet et al. [2], Pautrat et al. [3] sur la barrière de Schottky et ar Barbolat et al. [4] sur la joctio PN. La techique cosiste à aliquer ue etite tesio siusoïdale à la structure de test et de mesurer la caacité (C) et la coductace (G) de la zoe de charge d'esace de la structure. E résece d'u défaut, les rocessus ciétiques de l émissio et de la cature de orteurs libres ar ce défaut modifiet la caacité et la coductace de la structure. E faisat varier la fréquece et la temérature, il est ossible de détermier l'éergie d'activatio et la sectio efficace de cature du défaut. 107

109 E effet, la résece d'u défaut imlique la résece d'u ic de coductace e foctio de la temérature. La temérature T de ce ic varie avec la fréquece f du sigal d excitatio et la fréquece agulaire ω = 2πf est égale au taux d'émissio thermique du défaut. Das le modèle de Schockley-Read-Hall [5], our u iège à électros, ce taux est défii ar : Avec : e = 2 E ac a T ex kt σ Équatio / 2 * 2 2 3(2π ) md k = gm Équatio 4-2 c h a 3 Où : E ac est l éergie d activatio, m * d la masse effective de desité d états des électros, M c le ombre de miima de la bade de coductio, σ la sectio efficace de cature du iège. Pour u iège à trous, les formules sot idetiques e remlaçat les aramètres relatifs aux électros ar ceux des trous. La zoe isectée est située rès de la zoe théorique, où le iveau de Fermi croise le iveau d éergie du défaut. Aisi, das ue diode Schottky idéale de tye N, il est ossible de détecter les ièges à électros seulemet. Mais e résece d'ue joctio PN, il est ossible de détecter les ièges à électros das la régio de tye N et les ièges à trous das la régio de tye P. La sectroscoie d admittace a été utilisée das le assé our détermier l éergie d'activatio des doats das des diodes Schottky [6-8] et des diodes biolaires [9] e SiC. A otre coaissace, c est la remière fois que des mesures de sectroscoie sot effectuées sur les diodes JBS. Das otre étude, les mesures d admittace ot été effectuées à l aide d u aalyseur d imédace HP4194A, iloté ar ordiateur. Ue rame de temérature est imosée aux échatillos quad la fréquece de mesure varie our 20 valeurs etre 1 khz et 500 khz. La vitesse de la rame de temérature est choisie ar le réglage de la uissace d u régulateur SMC-TBT. Le tracé de (l (ω/t 2 ) vs (1/T)) (le diagramme d Arrhéius) ermet de déduire l éergie d activatio et la sectio efficace de cature du défaut. 108

110 G/ω (F) P 1 P ,153 Hz 13690,16 Hz 26333,62 Hz 50653,87 Hz 97434,95 Hz ,4 Hz ,3 Hz P 3 e /T 2 (s -1 K -2 ) , ev 0.18 ev 0.21 ev P1 P2 P Temérature (K) (a) 0, /T (K -1 ) (b) Figure 4-5 : Sectres de coductace e foctio de la temérature our set fréqueces différetes (a) et diagramme d Arrhéius des défauts P 1, P 2 et P 3 détectés sur l échatillo SBD-B (b) La Figure 4-5 (a) résete les sectres de coductace obteus sur l'échatillo SBD-B our set fréqueces. Trois défauts sot observés et leurs sigatures sot tracées das la Figure 4-5 (b). L éergie d'activatio et la sectio efficace de cature des défauts sot résumées das le Tableau 4-2 e suosat que ce sot des ièges à trous. Les iveaux d'azote état eu rofods, ils doet lieu à des ics à lus basse temérature que la temérature miimale utilisée das ces exérieces. G/ω (F) ,153 Hz 13690,16 Hz 26333,62 Hz 50653,87 Hz 97434,95 Hz ,4 Hz ,3 Hz P 1 P 2' P 2 Temérature (K) (a) P 3 JBS-D G/ω (F) Temérature (K) (b) 13690,16 Hz Figure 4-6 : Sectres de coductace e foctio de la temérature our set fréqueces différetes (a) et quatre ics observés ar ue aalyse Gaussiee du sectre de coductace à 13690,16 Hz (b) du JBS-D Les sectres de coductace obteus sur la diode JBS-D sot reortés sur la Figure 4-6 (a). La différece ar raort la diode SBD-B est l aaritio d u quatrième ic situé au milieu des deux remiers ics. Ce ic est bie observé aux fréqueces élevées et eut être 109

111 décovolué ar ue courbe Gaussiee comme le motre la Figure 4-6 (b). Les sigatures des quatre défauts sot tracées das la figure suivate : 100 P 1 10 P 2 P' 2 e /T 2 (s -1 K -2 ) 1 P ev 0.26 ev 0.22 ev 0, ev /T (K -1 ) Figure 4-7 : Diagramme d Arrhéius des défauts du JBS-D La Figure 4-8 résete les sectres de coductace à 260 khz our tous les six échatillos isectés. Pour les diodes du remier «ru», il y a trois ics avec les SBD (B, E) et quatre ics avec les JBS (C, D). Par cotre, our les diodes du deuxième «ru» SBD-ESC et JBS-C1, ous observos que deux ics. L éergie d'activatio et la sectio efficace de cature de tous les défauts sot résumées das le Tableau 4-2. G/ω (F) khz P1 P'2 P2 SBD-B JBS-C JBS-D SBD-E JBS-C1 SBD-ESC P Temérature (K) Figure 4-8 : Comaraiso des sectres de coductace à 260 khz our les six échatillos 110

112 Le ic P1 aaraît das tous les échatillos. Il est robablemet lié à la résece de l'alumiium (Al) das la JTE. Les valeurs de 0,17 à 0,21 ev se trouvet gééralemet das la gamme de doage de ~ cm -3. E raiso de la résece ou o de l aeau P +, la zoe de charge d'esace s'éted robablemet différemmet das la JTE de sorte que la régio sodée e motre as le même iveau de doage. Il ourrait égalemet affecter la sectio efficace de cature. Le ic P2 est réset das tous les échatillos avec ue éergie d'activatio variat de 0,16 à 0,2 ev et avec ue sectio efficace de cature das la gamme de cm ². Ue ossibilité est qu'il soit lié à l'alumiium, comme P1, mais das u autre site : das le SiC-6H, l alumiium eut occuer les deux sites hexagoaux et cubique. Le ic P3 aaraît seulemet das les échatillos du remier rocess : aussi bie les JBS (C, D) que les SBD (B, E). A oter que les SBD du remier rocess résetet ue hauteur de barrière Schottky Ф B aormalemet élevée, il s agit eut-être d u défaut d'iterface. Efi le ic P 2 aaraît das les JBS (C, D). Il est robablemet ihéret au remier rocess et eut être u défaut d'imlatatio qui 'aurait as disaru au cours du recuit. SBD-B (Φ B ~3eV) SBD-E (Φ B ~3eV) JBS-C (V bi ~3eV) JBS-D (V bi ~3eV) SBD-ESC (Φ B =1,7eV) JBS-C1 (V bi ~3eV) P 1 P 2 P 2 P 3 Ea = 0,21 ev ; Ea = 0,18 ev ; Ea = 0,40 ev ; σ = 1, cm² σ = 3, cm² σ = 2, cm² Ea ~ 0,15 ev ; Ea = 0,16 ev ; Ea = 0,35 ev ; σ = 2, cm² σ = 5, cm² σ = 4, cm² Ea = 0,21 ev ; Ea = 0,19 ev ; Ea = 0,37 ev ; σ = 1, cm² σ = 3, cm² σ = 1, cm² Ea = 0,25 ev ;* Ea = 0,16 ev ;* σ = 4, cm² σ = 1, cm² Ea = 0,22 ev ; σ = 2, cm² Ea = 0,15 ev ; σ = 7, cm² Ea = 0,14 ev ; σ = 1, cm² Ea = 0,26 ev ;* σ = 5, cm² 111 Ea = 0,20 ev ;* σ = 1, cm² Ea ~ 0,18 ev ; σ = cm² Ea = 0,17 ev ; σ = 6, cm² Ea = 0,34 ev ; σ = 2, cm² Tableau 4-2 : Résumé des résultats obteus sur les six échatillos avec E a : éergie d activatio, σ : sectio d efficace de cature du iège, Φ B : hauteur de barrière de la joctio Schottky, V bi : otetiel 1.5. Coclusio itere de la joctio (* résultats trouvés ar aalyse Gaussiee) Les mesures de C(V) et de sectroscoie d admittace ot été utilisées sur des structures SBD et JBS fabriquées sur u substrat SiC-4H de tye N. Les caissos P + des JBS ot été réalisés ar imlatatio d alumiium. La JTE a égalemet été réalisée ar

113 imlatatio d'al. Les défauts détectés das ces échatillos sot liés à la résece de la JTE et à la résece des caissos P + des JBS. U (eut-être deux) d'etre eux est corrélé au iveau suerficiel de l'alumiium, u autre est u défaut iduit ar imlatatio et le derier est u défaut d'iterface augmetat la hauteur de barrière Schottky. Ces résultats sot ubliés das [10]. 112

114 2. Caractérisatio des diodes Zeer e SiC-4H 2.1. Itroductio Les diodes d avalache (ou diodes Zeer) sot largemet utilisées our la régulatio de tesio ou la rotectio arallèle cotre les décharges électrostatiques (DES). Deux mécaismes de claquage sot résets das ce tye de diodes : la multilicatio ar avalache et l effet Zeer (tuel). Du fait des roriétés excetioelles du SiC-4H, e articulier sa large bade iterdite, so cham électrique critique élevé et sa boe coductivité thermique, des diodes Zeer fabriquées e SiC-4H euvet foctioer à des tesios Zeer suérieures et des temératures lus élevées que des diodes Zeer classiques à base de Si. Certais auteurs ot réseté des diodes Zeer e SiC-4H ayat ue tesio de claquage d eviro 20 V du fait d ue combiaiso de l effet d avalache et de l effet Zeer [11-13]. Vassilevski et al. [14] ot réseté ue diode Zeer de 280 V our laquelle le claquage est e fait dû etièremet à l effet d avalache. Das cette artie, ous résetos la caractérisatio des diodes Zeer avec ue tesio d avalache d'eviro 59 V et la simulatio de cette tesio de claquage e utilisat les coefficiets d'ioisatio détermiés ar les mesures OBIC Présetatio des diodes de test Les diodes Zeer ot été fabriquées à l istitut fraco-allemad de recherches de Sait Louis (ISL). U substrat de SiC-4H de chez Cree Ic. a été utilisé our fabriquer les diodes. La artie active de la structure se comose d'ue couche P + de 2,2 µm et d ue couche de trasitio de tye P de 0,1 µm réalisée ar éitaxie sur u substrat de tye N + (Figure 4-9 gauche). Sur chaque échatillo de taille 1x1 cm², 43 diodes MESA circulaires, d ue surface d'eviro 0,8 mm 2 ot été formées (Figure 4-9 droite). Métallisatio Passivatio P + = 6, cm -3 N + = 6, cm -3 Fie couche P 5, cm -3 0,104 µm Substrat N + Métallisatio Figure 4-9 : Vue e coue de la diode et vue géérale de l échatillo 113

115 La termiaiso de ces diodes a été réalisée ar ue gravure RIE (Reactive Io Etchig) comme celle étudiée das [15]. Pour la assivatio, ue couche d oxyde de 1,6 µm d'éaisseur a été déosée ar PECVD (Plasma-Ehaced Chemical Vaor Deositio) et a été esuite recuite successivemet sous atmoshère d O 2 et de N 2 resectivemet à 950 C et 1050 C edat ue heure chacue. Pour réaliser les cotacts ohmiques à faible résistace, des métallisatios à base de Ni sur la cathode et à base d'al sur l'aode ot été effectuées et esuite recuites à 1000 C. L alumiium est égalemet utilisé our la sur-métallisatio sur l'aode tadis que la sur-métallisatio de la cathode est réalisée avec ue bi-couche de Ni/Au Résultats des mesures et discussio Afi de détermier exactemet l éaisseur et le doage des couches des diodes, les mesures de caacité-tesio C(V) ot été effectuées avec u HP 4194A, e combiaiso avec la simulatio C(V) ar le logiciel Setaurus [16]. Ue caractéristique C(V) tyique mesurée à temérature ambiate est reortée das la Figure Ces mesures ot cofirmé la résece d ue très fie couche faiblemet doée de tye P etre deux couches fortemet doées. Les simulatios C(V) effectuées à l'aide de Setaurus ot doé le meilleur ajustemet de la courbe C(V) exérimetale our ue structure P + PN + dot les cocetratios de doage sot resectivemet de 6, cm -3, 5, cm -3 et 6, cm -3. La largeur de la couche de trasitio P de la structure simulée est de 0,104 µm. 8x10-10 Caacité (F) 7x x x x Tesio iverse (V) Figure 4-10 : Courbes C(V) mesurée ( ) et simulée (+) sur ue diode Zeer à 20 khz Les mesures de courat-tesio (I-V) ot été réalisées das la gamme de temérature 150K-420K e utilisat u Keithley 2410 Source-meter et la méthode des quatre oites (méthode Kelvi) a été aliquée our élimier les résistaces série des câbles et oites. Les 114

116 caractéristiques e direct e foctio de la temérature des diodes sot reortées das la Figure Les caractéristiques I(V) des diodes motret deux etes distictes das la zoe d idéalité, sauf à très basse temérature. La remière ete corresod à u coefficiet d idéalité 2,5 ce qui sigifie u courat de recombiaiso domiat. La deuxième ayat u coefficiet 1,2 est attribuée au courat de diffusio. La tesio où les diodes se mettet e coductio dimiue avec la temérature, de 2,5 V à 150 K à 1,5 V à 420 K. Les diodes ot ue très faible résistace série (0,14 Ω), dot l effet est as ecore sigificatif à la limite de cet équiemet de mesure (I = 1A). La desité de courat e direct atteit 125 A/cm 2 sous 3V à temérature ambiate. Courat (A) K 390K 360K 330K 295K 270K 240K 210K 180K 150K ~1,2 ~2,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 Polarisatio directe (V) Figure 4-11 : Caractéristiques I(V) e direct e temérature Sous olarisatio iverse, les diodes motret u foctioemet stable et ue caractéristique abrute sous ue tesio d avalache d eviro 59 V. Das la limite de l aareil de mesure K2410 (20 ma das cette gamme de tesio), ces diodes sot caables de dissier ue desité de uissace de 150 W/cm

117 Desité de courat (A/cm 2 ) K K K 330K K 270K K K 180K K Polarisatio iverse (V) Figure 4-12 : Caractéristiques I(V) e iverse e temérature Le courat e iverse avat avalache augmete avec la temérature mais la déedace e temérature de ce courat est faible. L origie de ce courat est aalysée avec les modèles de courat e iverse détaillés das [17]. A faible temérature, le courat est modélisé avec le modèle du courat tuel assisté ar défauts: I tu π = C1FV ex 2 2 m * E q F 3/ 2 g Équatio 4-3 où m * est la masse effective des orteurs tuel, F est le cham électrique et C 1 est u aramètre qui déed de la cocetratio de défauts N t. Comme E g (T) décroît liéairemet e temérature, ce courat varie comme suit our ue variatio domiate e temérature : I tu 2 2 ( E ( )) 3/ T I ex( T 3/ ) ex Équatio 4-4 g tu 1/ 2 Das ue joctio PN, le cham électrique F V doc la variatio de ce courat tuel e foctio de la tesio eut s exrimer de la faço suivate : 3/ 2 1/ 2 I tu V ex( V ) Équatio 4-5 Les tracés de (l(i) vs. T 3/2 ) our quelques tesios et de (l (IV -3/2 ) vs. V -1/2 ) à artir des caractéristiques I(V) doées e Figure 4-12 sot reortés das la Figure Pour ue temérature allat jusqu à 295K, la variatio e temérature est bie ue droite, ce qui sigifie u courat de tye tuel. La variatio e tesio est aussi ue droite dot la ete dimiue légèremet e temérature jusqu à 295K, ce qui corresod à la variatio du ga e temérature. 116

118 -14, ,0-15,5-16,0-20 l(i) -16,5-17,0-17,5-18,0-18,5 I à 55V I à 50V I à 45V T 3/2 (a) l(iv -3/2 ) PN/420K PN/390K PN/360K PN/330K PN/295K PN/270K PN/240K PN/210K PN/180K PN/150K V -1/2 (b) 295K Figure 4-13 : Tracés de (l(i) vs. T 3/2 ) (a) et de (l (IV -3/2 ) vs. V -1/2 ) (b) à artir des caractéristiques I(V) résetées das la Figure 4-12 A artir de 330 K, l origie du courat iverse est attribuée au courat de géératio activé ar cham dot l exressio est la suivate : ( av ) I gtf I0 ex Équatio 4-6 Où I 0 et a sot les aramètres détaillés das [17]. Ce courat varie e temérature comme i et est doc de la forme : I gtf E g I 2kT gtf 1 ex T ex Équatio 4-7 Par coséquece, s il s agit d u courat de géératio activé ar cham, les tracés de (I vs. V) sur l échelle semi-logarithmique et de (l(i) vs. (1/T)) doivet être des droites comme le motre la Figure 4-14 : I(A) K 390K 360K 330K V(V) (a) l(i) -14,5-15,0-15,5-16,0-16,5-17,0-17,5-18,0-18,5 330K I à 55V I à 50V I à 45V 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 0,007 1/T (b) Figure 4-14 : Tracés de (I vs. V) (a) à haute temérature et de (l (I) vs. (1/T)) (b) à artir des caractéristiques I(V) résetées das la Figure

119 V Br (V) 60,0 59,8 59,6 59,4 59,2 59, Temerature(K) Figure 4-15 : Déedace e temérature de la tesio d avalache Comme ous ouvos le costater das la Figure 4-15, la variatio de la tesio d avalache des diodes est très etite. Cette tesio varie de 59 V à 60 V das la gamme de temérature étudiée, ce qui corresod à u ratio de ΔV/ΔT = 3,7 mv/k ou à u coefficiet de temérature ositif γ de la tesio de claquage de 6, K -1 calculé comme suit : ( T ) V ( T ) VZ 2 Z γ = = 6,27 10 ( K ) Équatio 4-8 V ( T ) T T Z Où : V z (T 2 ) et V z (T 1 ) sot les tesios d avalache resectivemet mesurées à temérature T 2 et T 1. Il est bie cou que deux mécaismes de claquage euvet être résets das les diodes Zeer : l effet d avalache et l effet Zeer (tuel). Pour les diodes Zeer à base de silicium ou de germaium, le claquage est dû à l effet tuel lorsque la tesio de claquage est iférieure à V < 4 E et est rovoqué ar l effet d'avalache lorsque la tesio de T Br g claquage est suérieure à A Br g V > 6 E (E g est la largeur de la bade iterdite du semi- T A coducteur e ev). Pour les tesios de claquage etre la V Br et la V Br, les deux mécaismes de claquage sot résets [18]. Si ces valeurs de tesio de claquage sot aliquées aux diodes Zeer e SiC-4H ayat ue largeur de la bade iterdite de 3,26 ev, la tesio de claquage d'ue diode Zeer due à ue combiaiso de l effet d avalache et de l effet Zeer se situe doc das la gamme de tesio de (13 V-20 V). Autremet dit, la tesio de claquage des diodes Zeer due à ue combiaiso de deux mécaismes est limitée à ue gamme de 118

120 tesio étroite sauf si l o chage de matériaux. E effet, les diodes Zeer e SiC-4H ot été résetées avec ue tesio de claquage due à ue combiaiso de l effet d avalache et de l effet Zeer de 23 V [11], 19 V [12], et 22 V [13]. Comme la largeur de la bade iterdite du SiC dimiue avec l'augmetatio de la temérature [19], la tesio de claquage due à l'effet Zeer a u coefficiet de temérature égatif. D'autre art, il est démotré que la tesio de claquage due à la multilicatio ar avalache das le SiC a u coefficiet de temérature ositif [20], [21]. Aisi, quad les deux mécaismes de claquage sot e cocurrece, la déedace e temérature des diodes Zeer eut atteidre ue valeur très faible telle que celle résetée das [12]. Comme la tesio de claquage des diodes Zeer das cette étude est eviro trois fois lus élevée que la tesio de claquage des diodes Zeer due à ue combiaiso de deux mécaismes de claquage das la littérature [11-13] et que os diodes ot u coefficiet de temérature ositif, ous suosos que la tesio de claquage est etièremet due à la multilicatio ar avalache. E comaraiso avec les diodes Zeer dot le claquage est dû à ue combiaiso de deux mécaismes de claquage, l'avatage des diodes Zeer dot le claquage est dû à l effet d avalache est que l'o eut obteir la tesio d avalache souhaitée avec ue resque aussi faible déedace de la temérature. Le coefficiet de temérature de quelques diodes Zeer e SiC-4H est résumé das le Tableau 4-3. Réf. V [V] γ [K -1 ] [11] 23 5, [12] [13] [14] Cette étude 59 6, Tableau 4-3 : Tesio d avalache et coefficiet de temérature Das tous les cas, la déedace de la temérature des diodes Zeer e SiC-4H est ettemet iférieure à celle des diodes Zeer e Si our ue même tesio d avalache, qui est de l ordre de 10-3 K -1. Ces diodes Zeer ot la couche de multilicatio des orteurs de fort doage. Autremet dit, le cham électrique critique est élevé. Il est doc très itéressat d effectuer les mesures OBIC et de détermier les coefficiets d ioisatio our cette gamme de cham électrique. Cela ermet e effet d élargir la gamme de cham électrique valable des coefficiets d ioisatio détermiés das ce travail. Afi de ouvoir faire les mesures OBIC sur ces diodes, ue feêtre au milieu de la métallisatio de la face avat (aode) doit être créée, comme das le cas des diodes OBIC 119

121 résetées das le chaitre 3, our laisser éétrer le faisceau laser das le SiC. L élimiatio artielle des couches métalliques s auie sur l utilisatio de la techique SIMS (Secodary Io Mass Sectrometry). Le creusemet est arrêté lorsque l itesité mesurée des faisceaux d ios secodaires des métaux format la métallisatio (Ti, Ni, Al) dimiue et que celle de Si et de C atteit u iveau resque égal et costat, comme le motre la Figure 4-16 (a). O obtiet ue feêtre de taille 100 µm x 100 µm au milieu de la métallisatio, réseté das la Figure 4-16 (b). La rofodeur mesurée du caractère est de 970 m Itesité(cts.s -1 ) C 28Si 27Al 48Ti 58Ni Tems (s) (a) (b) Figure 4-16 : Créatio d ue feêtre otique ar la techique SIMS : sectres SIMS e foctio du tems (a) et vue au microscoe d ue diode avec la feêtre créée de taille 100 µm x 100 µm (b) Nous ouvos doc esuite effectuer les mesures OBIC sur ces diodes Zeer, e réalisat u balayage du faisceau du laser das la zoe de la feêtre créée. Les mesures OBIC ot été faites avec ue logueur d ode de 351,1 m, das l air et à temérature ambiate. Le sigal OBIC obteu sur ces diodes est réseté das la Figure 4-17 (a) et la courbe du facteur de multilicatio e foctio de la tesio de olarisatio, déduite de ces mesures, est reortée das la Figure 4-17 (b). 120

122 I OBIC (A) X(µm) (a) V = V = V = -58 V = V = -57 V = -56 V = -55 V = -52 V = -50 V = -48 V = -45 V = -40 V = -30 V = -20 V = -10 V = 0 Facteur de multilicatio Mesure Simulatio Tesio de olarisatio iverse(v) (b) Figure 4-17 : Sigal OBIC e foctio de la ositio du faisceau du laser et de la tesio de olarisatio iverse (a) et courbe M(V) (b) des diodes Zeer La rocédure d extractio des coefficiets d ioisatio à artir de la courbe M(V) de ces diodes est doc effectuée. Le modèle des coefficiets d ioisatio de Chyoweth [22] est choisi our ajuster la courbe M(V) exérimetale. Les aramètres suivats sot doc déduits our ces diodes das ue gamme électrique allat de 3 à 4,8 MV/cm. Paramètres des coefficiets d ioisatio SiC-4H a 7 1 ( 10 cm ) b 7 1 ( 10 Vcm ) a 6 1 ( 10 cm ) b 7 1 ( 10 Vcm ) F = 3-4,8 MVcm -1 1,52 1,86 0,68 1,56 Tableau 4-4 : Paramètres des coefficiets d ioisatio du SiC-4H La courbe M(V) des diodes Zeer simulée avec les aramètres trouvés est égalemet résetée das la Figure 4-17 (b). Les résultats de simulatios de la tesio de claquage et de cham critique des diodes Zeer avec les coefficiets relevés das la littérature (Kostatiov et al. [23], Hatakeyama et al. [24] et de Loh et al. [25]) sot aussi résetés das le tableau suivat our comaraiso. Réf. V [V] F [MV/cm] [23] 51,9 4,35 [24] 43,3 3,83 [25] 46,0 3,99 Cette étude 59,5 4,79 Tableau 4-5 : Tesios d avalache et chams critiques détermiés ar simulatio Il coviet de oter que la tesio de claquage simulée e utilisat les doées das [24] est la lus roche de otre valeur our les diodes résetées das le chaitre 3, mais elle est la valeur la lus basse ici. Aisi, les coefficiets d ioisatio das [24] e sot as bos our ce cham électrique élevé. D'autre art, la tesio de claquage simulée avec les doées das [23] est toujours roche de la ôtre mais iférieure. Das ce travail, les coefficiets 121

123 d'ioisatio sot obteus e utilisat u laser de 333,6 m ou de 351 m, ce qui se traduit ar ue ijectio mixte des orteurs. Cela est certes le cas das [23] égalemet, mais otre rocédure d'extractio des coefficiets d ioisatio est différete et os coefficiets doet u meilleur résultat que les coefficiets das [23] our les deux structures testées das le chaitre 3 et das cette artie. E revache, Loh et al. a effectué les mesures OBIC avec différetes logueurs d'ode our obteir séarémet l ijectio ure ou mixte des orteurs. Néamois, les résultats simulés avec leurs coefficiets sot toujours iférieurs à ceux obteus exérimetalemet das otre travail. Rereos la figure résetat la déedace des coefficiets d ioisatio e foctio du cham électrique das le chaitre 3. Ajoutos les coefficiets d ioisatio déduits das cette artie à cette figure das la gamme de fort cham électrique (Figure 4-18). E combiat les coefficiets déduits das le chaitre 3 et das la résete artie, ous ouvos rooser les coefficiets d ioisatio our ue large gamme de cham électrique : de 1,5 MV/cm à 2,7 MV/cm avec les coefficiets das le chaitre 3, et de 3 MV/cm à 4,8 MV/cm das cette artie (Tableau 4-6). Notre modèle se base sur la formule emirique bie coue de Chyoweth our les coefficiets d ioisatio avec deux jeux des aramètres et u cham électrique de référece vers 3 MV/cm. Ce modèle est directemet utilisable das u simulateur comme Setaurus où il faut défiir deux jeux de coefficiets : l u our de faibles chams électriques, iférieurs à u cham limite F 0 à réciser égalemet au simulateur, l autre our des chams lus grads, suérieurs à F 0. Coefficiets d'ioisatio(cm -1 ) α -Ce travail α -Kostatiov et al. α -Loh et al. α -Hatakeyama et al. α -Ce travail α -Kostatiov et al. α -Loh et al. α -Hatakeyama et al. 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Iverse du cham electrique x 10 6 (cm/v) Figure 4-18 : Déedace des coefficiets d ioisatio e foctio du cham électrique du SiC-4H 122

124 SiC-4H a 7 1 ( 10 cm ) Paramètres des coefficiets d ioisatio b 7 1 ( Vcm ) a 6 1 ( 10 cm ) b 7 1 ( Vcm ) F < 3MVcm -1 1,56 1,72 0,46 1,78 F 3MVcm -1 1,52 1,86 0,68 1,56 Tableau 4-6 : Récaitulatif des aramètres des coefficiets d ioisatio roosés our le SiC-4H 2.4. Coclusio Grâce à ses roriétés excetioelles, les diodes Zeer fabriquées e SiC-4H euvet o seulemet foctioer aux temératures et aux tesios lus élevées, mais elles résetet égalemet u coefficiet de temérature ettemet iférieur à celui des diodes Zeer à base de Si. Des diodes Zeer e SiC-4H ot été fabriquées et caractérisées. Elles sot caables de foctioer à ue tesio de Zeer de 59 V avec u très faible coefficiet de temérature de 6, K. Ce coefficiet de temérature est dix fois iférieur à celui de diodes Zeer à base de Si our la même tesio de claquage. Doc ces diodes Zeer e SiC- 4H résetet de grads avatages our les alicatios écessitat ue grade stabilité thermique (comme la rotectio arallèle). Les diodes fabriquées sot caables de foctioer e mode d avalache à forte desité de uissace, ce qui red ces disositifs aroriés à la rotectio cotre la décharge électrostatique (DES). E outre, les coefficiets d ioisatio sot déduits des mesures OBIC sur ces diodes. Les aramètres trouvés sot valables das ue gamme de cham électrique élevé et euvet être utilisés our simuler le claquage dû à la multilicatio ar avalache des couches fortemet doées. E combiat avec les coefficiets du chaitre récédet, deux jeux de aramètres des coefficiets d ioisatio ot été roosés et euvet être utilisés our la cocetio de disositifs afi de simuler le claquage, das ue large gamme de cham électrique. Cette étude sur les diodes Zeer a doé lieu à ue ublicatio [26] et à la rédactio de deux autres aiers soumis à la coférece ICSCRM (Iteratioal Coferece o Silico Carbide ad Related Materials) 2011 [27], [28]. 123

125 3. Bibliograhie du chaitre 4 [1] D. L. Losee, Admittace sectroscoy of imurity levels i Schottky barriers, Joural of Alied Physics, vol. 46,. 5,. 2204, [2] G. Vicet, D. Bois, et P. Piard, Coductace ad caacitace studies i GaP Schottky barriers, Joural of Alied Physics, vol. 46,. 12, , Déc [3] J. Pautrat, B. Katircioglu, N. Magea, D. Besahel, J. Pfister, et L. Revoil, Admittace sectroscoy: A owerful characterizatio techique for semicoductor crystals-- Alicatio to ZTe, Solid-State Electroics, vol. 23,. 11, , Nov [4] J. Barbolla, S. Dueñas, et L. Bailó, Admittace sectroscoy i juctios, Solid-State Electroics, vol. 35,. 3, , Mar [5] W. Shockley et W. T. Read, Statistics of the Recombiatios of Holes ad Electros, Physical Review, vol. 87,. 5,. 835, [6] A. O. Evwaraye, S. R. Smith, et W. C. Mitchel, Shallow levels i -tye 6H-silico carbide as determied by admittace sectroscoy, Joural of Alied Physics, vol. 75,. 7, , Avr [7] C. Rayaud, F. Ducroquet, G. Guillot, L. M. Porter, et R. F. Davis, Determiatio of ioizatio eergies of the itroge doors i 6H-SiC by admittace sectroscoy, Joural of Alied Physics, vol. 76,. 3, , [8] A. O. Evwaraye, S. R. Smith, et W. C. Mitchel, Shallow ad dee levels i -tye 4H- SiC, Joural of Alied Physics, vol. 79,. 10, , Mai [9] C. Rayaud et G. Guillot, Doat level freeze-out i 6H-SiC Schottky diodes ad juctios, i Semicoductig ad Semi-Isulatig Materials Coferece, IEEE, , [10] C. Rayaud, D. M. Nguye, P. Brosselard, A. Pérez-Tomás, D. Plaso, et J. Millá, Characterizatio of 4H-SiC Juctio Barrier Schottky Diodes by Admittace vs Temerature Aalyses, Materials Sciece Forum, vol. 615, , [11] R. Ishii, K. Nakayama, Hidekazu Tsuchida, et Y. Sugawara, Novel SiC Zeer Diodes with High Oeratig Temerature of 300 C ad High Power Desity of 40 kw/cm2, Materials Sciece Forum, vol. 600, , [12] P. Lark, K. V. Vassilevski, I. P. Nikitia, G. Phels, A. Horsfall, et N. G. Wright, Potetial Beefits of Silico Carbide Zeer Diodes Used as Comoets of Itrisically Safe Barriers, Materials Sciece Forum, vol. 556, , [13] K. V. Vassilevski, K. Zeketes, A. Horsfall, C. M. Johso, et N. G. Wright, Low 124

126 Voltage Silico Carbide Zeer Diode, Materials Sciece Forum, vol. 457, , [14] K. Vassilevski, K. Zeketes, G. Costatiidis, et A. Strel'chuk, Fabricatio ad electrical characterizatio of 4H-SiC +--+ diodes with low differetial resistace, Solid-State Electroics, vol. 44,. 7, , Juillet [15] M. Lazar, H. Vag, P. Brosselard, C. Rayaud, P. Cremillieu, J.-L. Leclercq, A. Descams, S. Scharholz, et D. Plaso, Dee SiC etchig with RIE, Suerlattices ad Microstructures, vol. 40,. 4, , Oct [16] Syosys Ic., Setaurus Device User Guide, Versio E [17] F. Ducroquet, Ifluece des iveaux rofods et des héomèes de surface sur les caractéristiques électriques de hotodiodes GaIAs, thèse de doctorat, INSA de Lyo, 140., [18] S. M. Sze, Physics of Semicoductor Devices, Secod Editio. Joh Wiley & So, 442., [19] C. Rayaud, Proriétés hysiques et électroiques du carbure de silicium (SiC), Techiques de l'igéieur, 10-Mai [20] P. Neudeck et C. Fazi, Positive temerature coefficiet of breakdow voltage i 4H- SiC juctio rectifiers, Electro Device Letters, IEEE, vol. 18,. 3, , [21] R. Raghuatha et B. J. Baliga, Temerature deedece of hole imact ioizatio coefficiets i 4H ad 6H-SiC, Solid-State Electroics, vol. 43,. 2, , Fév [22] A. G. Chyoweth, Uiform Silico - Juctios. II. Ioizatio Rates for Electros, Joural of Alied Physics, vol. 31,. 7,. 1161, [23] A. O. Kostatiov, Q. Wahab, N. Nordell, et U. Lidefelt, Ioizatio rates ad critical fields i 4H silico carbide, Alied Physics Letters, vol. 71,. 1, , Juillet [24] T. Hatakeyama, T. Wataabe, T. Shiohe, K. Kojima, K. Arai, et N. Sao, Imact ioizatio coefficiets of 4H silico carbide, Alied Physics Letters, vol. 85,. 8, , [25] W.S. Loh, B. K. Ng, J. S. Ng, S. I. Soloviev, H. Y. Cha, P. M. Sadvik, C. M. Johso, et J. P. R. David, Imact Ioizatio Coefficiets i 4H-SiC, Electro Devices, IEEE Trasactios o, vol. 55,. 8, , [26] D. M. Nguye, G. Pâques, N. Dheilly, C. Rayaud, D. Tourier, J. P. Korath, S. Scharholz, D. Plaso, Avalache Diodes with Low Temerature Deedece i 4H- 125

127 SiC Suitable for Parallel Protectio, Materials Sciece Forum, vol. 679, , [27] D. M. Nguye, C. Rayaud, M. Lazar, G. Pâques, S. Scharholz, N. Dheilly, D. Tourier, D. Plaso, OBIC measuremets o avalache diodes i 4H-SiC for the determiatio of imact ioizatio coefficiets, aier soumis à la coférece "Iteratioal Coferece o Silico Carbide ad Related Materials", USA, [28] M. Lazar, J. Fraçois, D. M. Nguye, C. Rayaud, G. Pâques, S. Scharholz, D. Tourier, D. Plaso, SIMS aalyses alied to oe a otical widow i 4H-SiC devices for electro-otical measuremets, aier soumis à la coférece "Iteratioal Coferece o Silico Carbide ad Related Materials", USA,

128 Coclusio géérale Le SiC ossède lusieurs roriétés excetioelles our remlacer le Si das certais domaies d alicatio, e articulier la haute tesio et la haute temérature. U bo ombre de démostrateurs de comosats de uissace e SiC faisat état de erformaces remarquables, aisi que la disoibilité commerciale des comosats e SiC cofirmet la maturité de la filière SiC et motret les rogrès techologiques réalisés au cours des derières aées ar raort aux autres matériaux à large bade iterdite. Ceedat, il existe eu d études sur les coefficiets d ioisatio du SiC, la coaissace desquels est ourtat idisesable our révoir récisémet la teue e tesio des comosats de uissace e SiC. Ce travail a doc cotribué à détermier ces coefficiets. La luart des diodes sécialemet coçues our la détermiatio des coefficiets d ioisatio du SiC ar la techique OBIC a été réalisée sur les wafers de SiC-4H et SiC-6H. A artir des mesures OBIC sur ces diodes, ous avos u déduire les coefficiets our ces deux olytyes de SiC. Das le SiC-6H, ous avos trouvé des résultats roches de ceux de Raghuatha et Baliga, mais avec u raort etre les trous et les électros u eu iférieur à 40, qui est la valeur traditioellemet utilisée mais détermiée ar Kostatiov et al. das le SiC-4H. Ce raort déed de toute faço du cham électrique. Das le SiC-4H, ous avos détermié les coefficiets d ioisatio das ue gamme de cham électrique moye à artir des mesures sur les diodes OBIC biolaires. E lus, ces coefficiets ot égalemet été déduits our ue gamme de cham électrique élevé grâce aux mesures OBIC sur les diodes Zeer. Par la combiaiso de ces résultats, ous avos roosé deux jeux de aramètres des coefficiets d ioisatio qui euvet être utilisés our la cocetio de disositifs afi de simuler le claquage, das ue large gamme de cham électrique. La caractérisatio des diodes Zeer e SiC-4H e temérature motre que ces diodes sot caables de foctioer e mode d avalache à forte desité de uissace. Elles résetet aussi u très faible coefficiet de temérature de la tesio d avalache qui est de l ordre de 6, K, soit dix fois iférieur à celui de diodes Zeer à base de Si our ue même tesio de claquage. Doc, ces diodes Zeer résetet de grads avatages our les alicatios de uissace écessitat ue grade stabilité thermique.

129 Ces études ot doé lieu à la rédactio de ciq aiers dot trois ubliés et deux soumis [1-5]. Les mesures de C(V) et de sectroscoie d admittace ot été utilisées sur des structures SBD et JBS fabriquées sur u substrat SiC-4H de tye N. Nous avos motré que certais défauts détectés das ces échatillos sot liés à la résece de la JTE et à la résece des caissos P + des JBS. Ces résultats sot ubliés das le aier [6]. Ue des difficultés majeures de ce travail a été de réaliser des diodes de test avec u claquage e volume et o e érihérie. Malgré ue grade attetio ortée à la rotectio des diodes, le ombre de comosats suscetibles d être mesurés ar la techique OBIC our détermier les coefficiets d ioisatio reste faible. Ceci trouve so origie, d ue art, das les roblèmes de techologie de fabricatio, et d autre art, das la qualité du matériau. Pour résoudre ce roblème et étedre les domaies de validité (gamme de cham électrique lus large, temérature) de ces résultats das le futur, il est écessaire de disoser de wafers de qualité avec ue couche assez fie our faciliter la rotectio érihérique. Le doage des couches doit aussi varier, les couches doées à mois de cm -3 état requises our la détermiatio des coefficiets à faible cham électrique. Les diodes Schottky euvet égalemet à ouveau être réalisées avec ue rotectio bie étudiée et ue métallisatio fie de 10 m our laisser éétrer le laser. La taille des diodes elle-même doit rester etite comme les diodes déjà réalisées mais la JTE devra robablemet être mois large our miimiser les défauts suscetibles de se trouver das la structure. Cocerat le matériel, le laser disoible au laboratoire a lus de dix as et à la fi de ce travail, seules les logueurs d ode de 351 m et 363 m étaiet utilisables. Il serait doc itéressat de s équier d u ouveau laser avec lusieurs logueurs d ode, lus courtes si ossible, afi de ouvoir obteir l ijectio séarée des orteurs. Ue autre iste est l utilisatio d ue logueur d ode lus grade avec de fortes uissaces, our créer des orteurs ar excitatio multihotoique. 128

130 Publicatios [1] D. M. Nguye, C. Rayaud, M. Lazar, G. Pâques, S. Scharholz, N. Dheilly, D. Tourier, D. Plaso, OBIC measuremets o avalache diodes i 4H-SiC for the determiatio of imact ioizatio coefficiets, aier soumis à la coférece Iteratioal Coferece o Silico Carbide ad Related Materials, USA, [2] M. Lazar, J. Fraçois, D. M. Nguye, C. Rayaud, G. Pâques, S. Scharholz, D. Tourier, D. Plaso, SIMS aalyses alied to oe a otical widow i 4H-SiC devices for electro-otical measuremets, aier soumis à la coférece Iteratioal Coferece o Silico Carbide ad Related Materials, USA, [3] D. M. Nguye, G. Pâques, N. Dheilly, C. Rayaud, D. Tourier, J. P. Korath, S. Scharholz, D. Plaso, Avalache diodes with low temerature deedece i 4H- SiC suitable for arallel rotectio, Materials Sciece Forum, vol , , [4] D. M. Nguye, C. Rayaud, N. Dheilly, M. Lazar, D. Tourier, P. Brosselard, D. Plaso, Exerimetal determiatio of imact ioizatio i 4H-SiC, Diamod ad Related Materials, vol. 20, iss. 3, , [5] C. Rayaud, D. M. Nguye, N. Dheilly, D. Tourier, P. Brosselard, M. Lazar, D. Plaso, Otical beam iduced curret measuremets : riciles ad alicatios to SiC device characterizatio, Physica Status Solidi (a), vol. 206, iss. 10, , [6] C. Rayaud, D. M. Nguye, P. Brosselard, A. Perez-Tomas, D. Plaso, J. Milla, Characterizatio of 4H-SiC Juctio Barrier Schottky Diodes by Admittace vs Temerature Aalyses, Materials Sciece Forum, vol , , Autres articles ubliés edat cette thèse [7] M. Soueida, M. Lazar, D. M. Nguye, D. Tourier, C. Rayaud, D. Plaso, Process Otimizatio for High Temerature SiC Lateral Device, Materials Sciece Forum, vol , , [8] D. M. Nguye, C. Rayaud, M. Lazar, H. Vag, D. Plaso, Comariso of Electrical Proerties of Ohmic Cotact Realized o -tye 4H-SiC, Materials Sciece Forum, vol , ,

131 Aexe 130

132 Aexe I : Process de fabricatio des diodes du remier lot Plaquette AD (SiC-4H) A Schottky JTE B Schottky MESA C biolaire MESA D biolaire JTE Défiitio des croix d aligemet Nettoyage : CARO 2x10 + HF 30 + TAA 3x5 Déôt d Al Litho du iveau Active Attaque d Al Remover Gravure de SiC Imlatatio de la JTE sur toute la laque Nettoyage : CARO 2x10 + HF 30 + TAA 3x5 Déôt d Al Litho du iveau IMP2 Attaque d Al Remover Imlatatio de la JTE ar Al Eergie d imlatatio (kev) Dose ( cm -2 ) 300 5, ,3 15 2,4 60 1,6 20 1,37 131

133 Imlatatio de l émetteur sur les quarts C et D Nettoyage : CARO 2x10 + HF 30 + TAA 3x5 Déôt d Al Litho du iveau IMP1 Caché Caché Isolatio (émetteur), déveloemet Attaque d Al Remover Imlatatio de l émetteur ar Al à 300 C Eergie d imlatatio (kev) Dose ( cm -2 ) 200 4, ,6 50 3,1 20 1,8 Gravure MESA sur les quarts B et C Nettoyage : CARO 2x10 + HF 30 + TAA 3x5 Déôt d Al Litho du iveau MESA Caché Isolatio (MESA), déveloemet Caché Attaque d Al Remover Gravure de SiC ar RIE Nettoyage : CARO 2x10 + HF 30 + TAA 3x5 Recuit de ost-imlatatio 1650 C, 45 m Découe du wafer e 4 132

134 Déôt de Ti (10m)/Ni (100m) sur la face arrière Litho du iveau Metal_thi Recuit du cotact ohmique Litho du iveau Metal_thi Déôt de Ni (10 m) Lift-off Litho du iveau Metal_thick Déôt de Ti (6 m)/ni (150m)/ Au (50 m) Lift-off Déôt de Ti (48 m)/ni (100 m) Lift-off Pas de surmétallisatio 133

135 Plaquette V (SiC-6H) A Schottky JTE B Schottky mesa C biolaire mesa D biolaire JTE Défiitio des croix d aligemet Nettoyage : CARO 2x10 + HF 30 + TAA 3x5 Déôt d Al Litho du iveau Active Attaque d Al Remover Gravure de SiC Imlatatio de la JTE sur les quarts A et D Nettoyage : CARO 2x10 + HF 30 + TAA 3x5 Déôt d Al Litho du iveau IMP2 Isolatio (JTE), déveloemet Caché Caché Isolatio (JTE), déveloemet Attaque d Al Remover Imlatatio de la JTE ar N Eergie d imlatatio (kev) Dose ( cm -2 ) 190 3, , , ,37 134

136 Imlatatio de l émetteur sur les quarts C et D Nettoyage : CARO 2x10 + HF 30 + TAA 3x5 Déôt d Al Litho du iveau IMP1 Caché Caché Isolatio (émetteur), déveloemet Attaque d Al Remover Imlatatio de l émetteur ar N à 300 C Eergie d imlatatio (kev) Dose ( cm -2 ) ,8 70 2,5 40 1,8 20 1,3 Gravure MESA sur les quarts B et C Nettoyage : CARO 2x10 + HF 30 + TAA 3x5 Déôt d Al Litho du iveau MESA Caché Isolatio (MESA), déveloemet Caché Attaque d Al Remover Gravure de SiC ar RIE Nettoyage : CARO 2x10 + HF 30 + TAA 3x5 Recuit de ost-imlatatio 1650 C, 45 m (le wafer s est brisé edat le recuit) Déôt de Ti (48 m)/ni (100m) sur la face arrière 135

137 Recuit du cotact ohmique Litho du iveau Metal_thi Litho du iveau Metal_thi Déôt de Ti (10 m)/ni (100 m) Lift-off Pas de surmétallisatio Déôt de Ni (10 m) Lift-off Litho du iveau Metal_thick Déôt de Ti (6 m)/ni (150m)/ Au (50 m) Lift-off 136

138 Aexe II : Process de fabricatio des diodes du deuxième lot Plaquette AA-D3D3017-SY (SiC-4H) Etae Process 1 Nettoyage CARO 2x10, BOE 30, acétoe chaud 5, acétoe ultraso 3, éthaol 5. 2 Litho du iveau Active 3 Déôt de Ti/Ni 10 m/150 m 4 Ouverture du masque de Ti/Ni Lift-off 5 Gravure de SiC Par RIE 6 Décaage du masque de Ti/Ni Ni-etch 7 Nettoyage CARO 2x5, BOE 1, acétoe ultraso 5, éthaol 5 8 Déôt de SiO m 9 Déôt d Al 1200 m 10 Litho du iveau IMP1 Pour émetteur 11 Ouverture du masque d Al Al-etch 12 Imlatatio de l émetteur Par Al 13 Décaage du masque d Al Al-etch 14 Déôt d Al 1200 m 15 Litho du iveau IMP2 Pour JTE 16 Ouverture du masque d Al Al-etch Eergie Dose 580keV cm keV cm keV cm keV cm