Le carbure de silicium la base des semi-conducteurs. puissance futurs

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1 Le carbure de silicium la base des semi-conducteurs de haute puissance futurs Au cours de la prochaine décennie, le silicium sera très probablement utilisé de manière croissante à côté du carbure de silicium, pour former la base des semi-conducteurs de puissance, spécialement pour les tensions de blocage supérieure à 500 V. Par rapport aux semi-conducteurs de puissance actuels, les composants en carbure de silicium présentent des pertes considérablement plus basses. En outre, ils maîtrisent des tensions de blocage et des températures de service plus élevées. L es composants à semi-conducteurs, tels que les diodes, thyristors, transistors et IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) sont des composants clés de l électronique de puissance ABB. Leurs domaines d application résident en particulier dans les entraînements, les systèmes d alimentation en énergie et les véhicules ferroviaires, tels que les tramways et les locomotives électriques. Dans la partie supérieure de la gamme, on trouve des compensateurs statiques de puissance réactive et d autres équipements pour le perfectionnement du transport de l énergie, dont des installations de transport de courant continu à haute tension (C.C.H.T.). La gamme des puissances des produits ABB à semi-conducteurs s étend sur huit ordres de grandeur - de quelques centaines de watts jusqu à quelques gigawatts. ABB fournit en outre des semi-conducteurs de puissance, principalement des types avec une tension de claquage de plus de 1,5 kv. Des produits importants de ce domaine sont les thyristors GTO (Gate Turn Off), les thyristors haute tension et les diodes. L élément de commutation idéal jusqu ici encore une chimère Les concepteurs de circuits électriques désirent des composants qui bloquent des tensions élevées à l état bloqué et qui admettent des courants élevés à l état passant, tout en exigeant un besoin d énergie minimal pour passer si possible sans perte d un état à l autre. Ces composants idéaux n existent pas encore. Dans la pratique, selon le domaine d application, on utilise différents éléments de commutation en se rapprochant de l idéal sous différents aspects. Les pertes de puissance élevées des éléments de commutation à semi-conducteurs obligent souvent à choisir un type d élément de commutation moins idéal. Ce problème devient plus aigu aux tensions élevées 1. Dr Karl Bergman Centre de recherche ABB Västerås/Suède Le MOSFET (Metal Oxyde Semiconductor Field Effect Transistor) se rapproche le plus de l élément de commutation idéal. Malheureusement, il ne convient qu à des tensions relativement basses, vu que les pertes augmentent rapidement avec la tension de blocage. L IGBT est pour ainsi dire un MOSFET modifié qui évite les inconvénients de celuici toutefois au prix de pertes de commutation plus élevées. Depuis les années 80, l IGBT a évincé de plus en plus souvent le BJT (Bipolar Junction Transistor) à titre de semi-conducteur de puissance pour des tensions de blocage de quelques centaines de volts jusqu à 2 kv et davantage. En dessus de 2 kv, le thyristor GTO maîtrise encore le terrain. Il peut commander des puissances très élevées, mais requiert des moyens de commutation relativement complexes par rapport aux MOSFET et aux IGBT. Le concepteur de circuits électriques recherche donc un composant qui réunit la simplicité d utilisation des MOSFET et les grandes puissances commandables des IGBT et GTO, c est-à-dire un élément qui se cantonne dans le coin supérieur droit de 1. C est là exactement ce que peut fournir le MOSFET à base de carbure de silicium. Les composants en carbure de silicium Le carbure de silicium (SiC) fournit une résistance de claquage environ 10 fois plus élevée contre les champs électriques que le silicium (Si). Ce faisant, les pertes des composants fondés sur du SiC peuvent être beaucoup plus basses. Par exemple, une structure MOSFET sur une base de SiC devrait être en mesure de maîtriser des tensions de claquage de plusieurs kilovolts, tandis qua la valeur maximale du composant Si correspondant est limitée à V. Autrefois, les nouveaux types d éléments de commutation ont révolutionné la construction des systèmes de l électronique de puissance. C est ainsi que l introduction des GTO, les premiers composants véritablement de haute puissance avec un pouvoir de coupure élevé, a modifié la conception des entraînements des locomotives électriques: en partant des moteurs de traction à courant continu et synchrones avec Revue ABB 1/

2 A MOSFET log P BJT IGBT GTO Comparaison subjective de différents types de composants semi-conducteurs: aptitudes d application pratique A en fonction de la puissance commandable P alimentation par des convertisseurs commutés par le réseau, on a pu passer aux moteurs de traction triphasés avec alimentation par des convertisseurs à commutation automatique et un circuit intermédiaire à tension continue. Dans le cas des entraînements industriels, l introduction des IGBT a permis de simplifier les circuits de commande et de courant fort, ce qui s est traduit par une amélioration du comportement d exploitation et par des frais réduits. Le carbure de silicium maîtrise des intensités de champ dix fois plus élevées Pour pouvoir maîtriser une tension U b, la couche de jonction d un semi-conducteur doit présenter une certaine épaisseur, afin que l intensité du champ électrique maximal E max que le matériau doit supporter sans claquage ne soit pas dépassée. L épaisseur minimale W de la couche s exprime par la relation suivante: W > 2 U b E max (1) Sous certaines conditions constructives, le facteur 2 du numérateur peut être supprimé. 1) Dans cette représentation, pour des raisons de simplicité, l intensité du champ E max est admise comme étant constante, bien qu en fait, elle dépende tant du dopage que de la température. L erreur qui en résulte est pourtant relativement faible. 1 Le grand avantage du SiC réside dans le fait qu il supporte une intensité de champ électrique E max environ dix fois plus élevée que le Si 1). Par conséquent, l épaisseur requise par un élément SiC pour une tension donnée n atteint que le dixième de celle d un élément Si. L équation ci-après, connue généralement sous la dénomination d équation de Maxwell, tient aussi compte du dopage du matériau semi-conducteur, c est-à-dire de la teneur en centres de capture commandés: de dx = = qn + d 0 0 (2) Dans cette équation représente la densité de charge d espace, la permittivité, 0 la constante de champ électrique, q la charge élémentaire et N + d la concentration du donneur ionisé. On admet que la tension est bloquée par une couche N faiblement dopée, comme c est le cas pour la plupart des composants Si et SiC. En admettant un dopage constant et en combinant les équations (1) et (2), on obtient: N + d < 2 0 E max 2 qu b (3) Pour une tension de claquage donnée et avec l intensité de champ dix fois plus élevée telle qu elle est possible avec le SiC, le dopage de la couche conductrice peut être environ 100 fois élevé que dans le cas du Si. Les MOSFET SiC ont des pertes basses à l état passant Un MOSFET est le semi-conducteur de puissance possédant les propriétés les plus avantageuses tant pour le concepteur de circuits électriques que pour l utilisateur final 2. Comme déjà mentionné, les MOSFET n ont été utilisés jusqu ici que pour des tensions de claquage atteignant quelques centaines de volts. L une des explications de ce fait est donnée par l équation suivante: 2 4 U r ds,on = b µ 0 E max 3 (4) Dans cette équation, r ds,on représente la résistance spécifique (en cm 2 ) de la couche de jonction, désignée également par le terme de champ interne d un MOSFET vertical. La résistance augmente avec la largeur du champ de déplacement et diminue avec un dopage accru, vu que le nombre de porteurs de charge qui transportent le courant augmente. Le symbole m désigne la mobilité de ces porteurs de charge, c est-à-dire normalement des électrons. Selon l équation (4), la résistance dans le champ de déplacement du MOSFET augmente avec le carré de la tension de claquage. Dans le cas du Si, on atteint déjà avec des tensions de claquage de quelques centaines de volts des valeurs de résistance inadmissiblement élevées. On constate en outre que la résistance diminue selon la puissance 3 du champ critique. Etant donné que l intensité de champ critique du SiC est environ dix fois supérieure à celle du Si, les pertes à l état passant des MOSFET SiC sont beaucoup plus faibles que celles des composants Si correspondants. Cela est pour le moins valable dans la gamme des puissances dans laquelle les pertes à l état passant sont dominées par le champ de déplacement. Ces connaissances sont applicables à tous les composants dits unipolaires, dans lesquels on n utilise qu un seul porteur de charge pour le transport du courant, c est-à-dire aux MOSFET, JFET (Junction Field Effect Transistor) et aux diodes de Schottky. Composants bipolaires pour des tensions de claquage plus élevées Etant donné que les structures MOSFET à base de Si ne peuvent plus être utilisées pour des tensions de claquage supérieures Structure d un MOSFET à base SiC possible. La couche n - est la zone de blocage du composant et influence fortement le comportement de passage. Gate Source n + p n - n + Drain 2 38 Revue ABB 1/1996

3 Substrats SiC expérimentaux (wafers) de différentes grandeurs avec des structures de diodes (Photographie IMC) 3 Micrographie de micro-tuyaux (lignes foncés) qui franchissent un substrat. Ces défauts ont un diamètre d environ 1 µm. (Photographie Université Linköping) 4 à quelques centaines de volts, le concepteur de circuits électriques doit faire appel à des éléments bipolaires pour le domaine des tensions plus élevées. Comme le montre l équation (3), la résistance est limitée par le nombre de porteurs de charge N + d disponibles. Dans les composants bipolaires, tels que les diodes PN, les IGBT et les GTO, le nombre des porteurs de charge est augmenté par injection de la part des émetteurs d anode et de cathode lors de l enclenchement de l élément. Par rapport aux structures MOSFET, il en résulte des pertes à l état passant dramatiquement plus basses. La cathode injecte des électrons et l anode des trous. Le courant est donc porté tant par des électrons chargés négativement que par des trous de charge positive, d où l expression bipolaire. Une injection de porteurs de charge bipolaires présente pourtant l inconvénient que lors du déclenchement, les charges en excédent doivent être éliminées, avant que le composant puisse revenir à l état bloqué. Cette élimination s effectue par un courant en sens inverse et par ce qu on appelle les recombinaisons, c est-à-dire la neutralisation réciproque des électrons et des trous. Le temps requis par l élimination des porteurs de charges excédentaires n est nullement négligeable. Pendant cet intervalle, la tension et le courant peuvent atteindre en même temps des valeurs très élevées, ce qui augmente fortement les pertes de commutation. L avantage de pertes à l état passant relativement basses doit donc être acquis au prix de pertes de commutation correspondantes élevées. Il est évident que dans les MOSFET et les autres composants unipolaires, les porteurs de charge en excédent doivent aussi être éliminés, mais les pertes qui s y produisent sont normalement beaucoup plus basses que dans le cas des composants bipolaires. La valeur totale de la charge spécifique injectée q inj s exprime comme suit: q inj = J (5) J est la densité de courant et a durée de vie des porteurs minoritaires, c est-à-dire le temps moyen de la recombinaison d un électron et d un trou. La durée de vie des semi-conducteurs de puissance dépend de la concentration des pièges. Celle-ci est déterminée par le fabricant qui peut, pour chaque type de semi-conducteur et en fonction du domaine d application, trouver un compromis acceptable entre les pertes dans le sens passant et celles de commutation. Revue ABB 1/

4 Composants bipolaires SiC pour tensions supérieures à 10 kv Comme mentionné, le concepteur de circuits électriques ne se sert de composants bipolaires que lorsque la tension de service est trop élevée pour les composants unipolaires MOSFET et diodes de Schottky. A l avenir, l utilisation de SiC pour les structures MOSFET et les diodes de Schottky permettront des tensions de claquage considérablement plus élevées qu en cas de Si. On peut donc prévoir des structures MOSFET dans la majorité des applications. Cela est particulièrement valable pour les tensions de service atteignant plusieurs kilovolts. Dans de nombreux domaines d application, par exemple dans la compensation de la puissance réactive et pour les lignes C.C.H.T., les tensions de service sont beaucoup plus élevées que les tensions de claquage les plus hautes qu on peut réaliser avec les meilleurs matériaux semi-conducteurs qui soient. Dans de tels cas, seul le branchement en série des composants permet de résoudre le problème comme jusqu ici. La tension de claquage des composants est choisie de telle manière qu on obtienne un optimum entre les pertes et le comportement du système. Dans ces domaines d application, les thyristors ont une tension de claquage typique de 6 7 kv. Cette tension est un compromis entre les coûts, les données techniques, ainsi que les pertes à l état passant et de commutation. Pour des tensions de claquage si élevées, on a besoin d une épaisseur de couche de jonction d environ 1 mm et d une durée de vie des porteurs de charge d environ 100 µs, ce qui provoque des pertes de commutation considérables. Avec le SiC, la tension de claquage des composants de ce domaine d application sera probablement beaucoup plus élevée. Des composants fournissant des tensions de claquage bien au-delà de 10 kv sont concevables. La durée de vie requise des porteurs de charge serait alors comprise entre 1 et 10 µs, ce qui procure la possibilité d un comportement de commutation raisonnable. Les composants SiC maîtrisent des températures beaucoup plus élevées Pour les composants de puissance bipolaires basés sur Si, on recommande généralement une température de service inférieure à 125 C, tandis que les composants unipolaires, tels que les MOSFET peuvent s utili- La croissance épitaxiale sur du carbure de silicium s effectue par chauffage haute fréquence à des températures d environ 1500 C. (Photographie IMC) 5 40 Revue ABB 1/1996

5 ser jusqu à une température de 150 C. Ces limites s expliquent physiquement par des courants de fuite plus élevés, qui provoquent des températures plus élevées en sens inverse dans les jonctions PN bloquantes, de sorte que le risque d «avalanches thermiques» s accroît. Etant donné que la durée de vie des porteurs de charge augmente, des processus parasites destructifs peuvent se dérouler. Finalement, une mobilité réduite est également la cause de pertes en sens passant dans les composants unipolaires. Il est évident que la température de service doit rester en dessous de la température à laquelle le matériau semi-conducteur passe en conductibilité intrinsèque, c est-à-dire lorsque la densité des porteurs de charge ne dépend plus du dopage, mais de l intervalle d énergie entre deux bandes du matériau semi-conducteur. Au-dessus de cette limite, l aptitude de commande du courant et de blocage de la tension est perdue. Pour le Si, cette température se situe à environ 300 C. Les composants à base de SiC peuvent par contre s utiliser à des températures considérablement plus élevées. Les courants de fuite de la jonction PN sont extrêmement faibles, de sorte que la tension peut aussi être bloquée à des températures nettement supérieures à 300 C. La limite de la conductibilité intrinsèque n est atteinte que bien au-dessus de 1000 C. A titre d exemple, un groupe de chercheurs américains a utilisé un MOSFET à base de SiC à une température de 650 C. Cette sollicitation thermique admissible permettra certainement quelques perfectionnements sur les systèmes de l électronique de puissance. Il y a pourtant lieu de mentionner que les faibles pertes mentionnées sont valables pour les températures de service et les densités de courant usuelles pour les semi-conducteurs à base silicium. Pourquoi les composants SiC ne sont-ils pas encore disponibles? Les avantages des composants SiC sont déjà connus depuis les années 60. Le fait que néanmoins on ne dispose pas encore de composants SiC est imputable à des difficultés technologiques. Jusqu ici, ce matériau n a été utilisé industriellement que Mesure microscopique de la tension de claquage d une diode SiC dans du gaz SF 6 (Photographie IMC) comme abrasif, le plus souvent sous la dénomination «corindon». Le SiC ne peut pas être fondu à des pressions maîtrisables. Au point de fusion d environ 2500 C, il passe directement à l état gazeux. Le cristal doit donc être bâti à partir de cet état, ce qui est beaucoup plus difficile qu avec le silicium qui fond à environ 1400 C. L un des plus grands obstacles à la percée de la technique SiC réside dans l impossibilité de trouver un substrat (matériau de support) de qualité suffisante pour la fabrication commerciale d éléments semi-conducteurs. Avant de pouvoir lancer la production, on a besoin, comme dans le cas des semiconducteurs au silicium, d un substrat monocristallin (wafer). A la fin des années 70, on a développé un procédé pour la fabrication de substrats en SiC de grande surface 3. Ces substrats fabriqués selon la méthode dite de Lely modifiée présentent pour- 6 Revue ABB 1/

6 -5000 U BR V tant un grave défaut qu on désigne par le vocable de micro-tuyaux 4. Comme on a dû le constater, un seul micro-tuyau à travers une jonction PN de haute tension peut annihiler complètement la capacité de bloquer la tension. Au cours des trois dernières années, la densité de ces défauts a pu être réduite de quelques milliers à défauts par cm 2. Malgré ce perfectionnement, si le rendement du procédé doit dépasser un petit nombre de pour-cent, la grandeur des composants reste limitée à quelques mm 2. Ce faisant, la tension maximale admissible par composant est limitée à quelques ampères. Pour que les semi-conducteurs au SiC puissent devenir une réalité commerciale, d autres perfectionnements de la technologie des substrats sont encore nécessaires. Recherche dans le domaine du carbure de silicium ABB compte parmi les entreprises leaders du développement de cette nouvelle technique. Chez ABB, la recherche se concentre U 160 µm A/cm Caractéristique courant-tension et configuration schématique d une diode d essai basée sur SiC, avec une tension de claquage de 4,5 kv J Densité de courant p + Emetteur, 1,5 µm, cm 3 U Tension n Base, 45 µm, cm 3 U BR Tension de claquage n + Substrat p + n - n + sur les procédés de fabrication de composants 5, 6. On y compte la gravure, la déposition des couches d isolation, l oxydation, la métallisation et l élaboration des contacts. Au contraire de la technologie Si, une grande partie du matériau SiC utilisé par les fabricants de composants pour la production de structures semi-conductrices est produite par ceux-ci, et non pas par les fournisseurs de substrats. Cela provient du fait que le dopage, c est-à-dire l introduction contrôlée de centres de capture par diffusion à haute température n est pas praticable pour le SiC. En lieu et place, les centres de capture sont injectés lors de l épitaxie du matériau. Pour des structures très plates, y compris les couches de contact, on peut injecter des ions de manière analogue au silicium. Conjointement à ses partenaires de recherche, l Université de Linköping, Suède, et le Centre de micro-électronique industrielle de Stockholm (IMC), ABB a déjà remporté quelques succès de grande envergure dans le domaine des composants SiC haute tension. 0 J 7 Record mondial pour diodes en carbure de silicium Les travaux de recherche ont conduit en particulier au Développement d une diode SiC qui, par sa tension de claquage de 4,5 kv, a remporté un record mondial 7. Par rapport au résultat record précédent, cette amélioration signifie une tension plus que doublée. Un part importante de ce résultat est imputable à la qualité du matériau d épitaxie. Les procédés développés en premier par l Université de Linköping ont fourni des couches qui, avec une épaisseur atteignant 90 µm et une pureté de dopage résiduel inférieure à /cm 3, dépassent tous les résultats connus à ce jour. Comme déjà mentionné, l épaisseur et la pureté du matériau sont les facteurs clés de la production de composants haute tension de haute puissance. Jusqu à une date récente, les milieux professionnels étaient de l avis que la durée de vie des porteurs de charge minoritaires était limitée à moins de 100 ns. La diode de 4,5 kv mentionnée a une durée de vie des porteurs de charge d environ 0,5 µs. Sur quelques exemplaires, on a même observé des valeurs encore plus élevées. Bien que d importants progrès aient été réalisés, la fabrication commerciale de semiconducteurs SiC exige encore davantage de recherche et de développement. On devrait par exemple étudier plus en détail les problèmes en relation avec la passivation des surfaces et améliorer la qualité des surfaces de coupe MOS, étant donné que les deux sont des facteurs critiques des MOSFET de puissance. Adresse de l auteur Dr Karl Bergman Centre de recherche ABB S Västerås, Suède Téléfax: +46 (0) Revue ABB 1/1996