N° d’ordre : 01-ISAL-0017 Année 2001 THESE Présentée devant L’INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE LYON Pour obtenir LE GRADE DE DOCTEUR FORMATION DOCTORALE : Dispositifs de l'Electronique Intégrée ECOLE DOCTORALE : Electronique, Electrotechnique, Automatique Par Franck NALLET Maître ès Sciences Conception, Réalisation et Caractérisation d'un composant limiteur de courant en carbure de silicium Soutenue le 13 Juin 2001 devant la Commission d’Examen Jury MM. Jean Pierre CHANTE Professeur André LHORTE Docteur José MILLAN Professeur Rapporteur Francis MISEREY Professeur Rapporteur Dominique PLANSON Docteur Directeur Bruno REYMOND Docteur Cette thèse a été préparée au Laboratoire CEGELY de l'INSA de Lyon.
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Conception, Réalisation et Caractérisation d'un composant …theses.insa-lyon.fr/publication/2001ISAL0017/these.pdf · 2016. 1. 11. · PINARD P. (Prof. émérite) PHYSIQUE DE LA
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N° d’ordre : 01-ISAL-0017 Année 2001
THESE
Présentée devantL’INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE LYON
En grisé : Les Ecoles doctorales et DEA dont l'INSA est établissement principal
FEVRIER 2000
INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE LYONDirecteur : J. ROCHAT
Professeurs :AUDISIO S. PHYSICOCHIMIE INDUSTRIELLEBABOUX J.C. GEMPPM*BALLAND B. PHYSIQUE DE LA MATIEREBARBIER D. PHYSIQUE DE LA MATIEREBASTIDE J.P. THERMODYNAMIQUE APPLIQUEEBAYADA G. MODELISATION MATHEMATIQUE ET CALCUL SCIENTIFIQUEBERGER C. (Melle) PHYSIQUE DE LA MATIEREBETEMPS M. AUTOMATIQUE INDUSTRIELLEBLANCHARD J.M. LAEPSI***BOISSON C. VIBRATIONS-ACOUSTIQUEBOIVIN M. MECANIQUE DES SOLIDESBOTTA H. Equipe DEVELOPPEMENT URBAINBOTTA-ZIMMERMANN M. (Mme) Equipe DEVELOPPEMENT URBAINBOULAYE G. (Prof. émérite) INFORMATIQUEBRAU J. CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Thermique du bâtimentBRISSAU M. GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITEBRUNET M. MECANIQUE DES SOLIDESBRUNIE L. INGENIERIE DES SYSTEMES D’INFORMATIONBUREAU J.C. THERMODYNAMIQUE APPLIQUEECAVAILLE J.Y. GEMPPM*CHANTE J.P. CEGELY**** - Composants de puissance et applicationsCHOCAT B. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Hydrologie urbaineCOUSIN M. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - StructuresDOUTHEAU A. CHIMIE ORGANIQUEDUFOUR R. MECANIQUE DES STRUCTURESDUPUY J.C. PHYSIQUE DE LA MATIEREEMPTOZ H. RECONNAISSANCE DES FORMES ET VISIONESNOUF C. GEMPPM*EYRAUD L. (Prof. émérite) GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITEFANTOZZI G. GEMPPM*FAVREL J. PRISMa - PRoductique et Informatique des Systèmes ManufacturiersFAYARD J.M. BIOLOGIE APPLIQUEEFAYET M. MECANIQUE DES SOLIDESFERRARIS-BESSO G. MECANIQUE DES STRUCTURESFLAMAND L. MECANIQUE DES CONTACTSFLEISCHMANN P. GEMPPM*FLORY A. INGENIERIE DES SYSTEMES D’INFORMATIONFOUGERES R. GEMPPM*FOUQUET F. GEMPPM*FRECON L. INFORMATIQUEGERARD J.F. MATERIAUX MACROMOLECULAIRESGIMENEZ G. CREATIS**GONNARD P. GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITEGONTRAND M. CEGELY**** - Composants de puissance et applicationsGOUTTE R. (Prof. émérite) CREATIS**GRANGE G. GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITEGUENIN G. GEMPPM*GUICHARDANT M. BIOCHIMIE ET PHARMACOLOGIEGUILLOT G. PHYSIQUE DE LA MATIEREGUINET A. PRISMa - PRoductique et Informatique des Systèmes ManufacturiersGUYADER J.L. VIBRATIONS-ACOUSTIQUEGUYOMAR D. GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITEJACQUET RICHARDET G. MECANIQUE DES STRUCTURESJOLION J.M. RECONNAISSANCE DES FORMES ET VISIONJULLIEN J.F. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - StructuresJUTARD A. AUTOMATIQUE INDUSTRIELLEKASTNER R. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - GéotechniqueKOULOUMDJIAN J. INGENIERIE DES SYSTEMES D’INFORMATIONLAGARDE M. BIOCHIMIE ET PHARMACOLOGIELALANNE M. (Prof. émérite) MECANIQUE DES STRUCTURES
LALLEMAND A. CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Energétique et thermiqueLALLEMAND M. (Mme) CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Energétique et thermiqueLAREAL P. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - GéotechniqueLAUGIER A. PHYSIQUE DE LA MATIERELAUGIER C. BIOCHIMIE ET PHARMACOLOGIELEJEUNE P. GENETIQUE MOLECULAIRE DES MICROORGANISMESLUBRECHT A. MECANIQUE DES CONTACTSMARTINEZ Y. INGENIERIE INFORMATIQUE INDUSTRIELLEMAZILLE H. PHYSICOCHIMIE INDUSTRIELLEMERLE P. GEMPPM*MERLIN J. GEMPPM*MILLET J.P. PHYSICOCHIMIE INDUSTRIELLEMIRAMOND M. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Hydrologie urbaineMOREL R. MECANIQUE DES FLUIDESMOSZKOWICZ P. LAEPSI***NARDON P. (Prof. émérite) BIOLOGIE APPLIQUEENAVARRO A. LAEPSI***NOURI A. (Mme) MODELISATION MATHEMATIQUE ET CALCUL SCIENTIFIQUEODET C. CREATIS**OTTERBEIN M. (Prof. émérite) LAEPSI***PASCAULT J.P. MATERIAUX MACROMOLECULAIRESPAVIC G. VIBRATIONS-ACOUSTIQUEPELLETIER J.M. GEMPPM*PERA J. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - MatériauxPERACHON G. THERMODYNAMIQUE APPLIQUEEPERRIAT P. GEMPPM*J. PERRIN J. ESCHIL – Equipe SCiences Humaines de l’Insa de LyonPINARD P. (Prof. émérite) PHYSIQUE DE LA MATIEREPINON J.M. INGENIERIE DES SYSTEMES D’INFORMATIONPLAY D. CONCEPTION ET ANALYSE DES SYSTEMES MECANIQUESPOUSIN J. MODELISATION MATHEMATIQUE ET CALCUL SCIENTIFIQUEPREVOT P. GRACIMP – Groupe de Recherche en Apprentissage, Coopération et
Interfaces Multimodales pour la ProductiquePROST R. CREATIS**RAYNAUD M. CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Transferts Interfaces et
MatériauxREDARCE H. AUTOMATIQUE INDUSTRIELLEREYNOUARD J.M. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - StructuresRIGAL J.F. CONCEPTION ET ANALYSE DES SYSTEMES MECANIQUESRIEUTORD E. (Prof. émérite) MECANIQUE DES FLUIDESROBERT-BAUDOUY J. (Mme) (Prof. émérite) GENETIQUE MOLECULAIRE DES MICRO-ORGANISMESROUBY D. GEMPPM*ROUX J.J. CENTRE DE THERMIQUE DE LYONRUBEL P. INGENIERIE DES SYSTEMES D’INFORMATIONRUMELHART C. MECANIQUE DES SOLIDESSACADURA J.F. CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Transferts Interfaces et
MatériauxSAUTEREAU H. MATERIAUX MACROMOLECULAIRESSCAVARDA S. AUTOMATIQUE INDUSTRIELLETHOMASSET D. AUTOMATIQUE INDUSTRIELLETROCCAZ M. GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITEUNTERREINER R. CREATIS**VELEX P. MECANIQUE DES CONTACTSVIGIER G. GEMPPM*VINCENT A. GEMPPM*VUILLERMOZ P.L. (Prof. émérite) PHYSIQUE DE LA MATIERE
Directeurs de recherche C.N.R.S. :Y.BERTHIER MECANIQUE DES CONTACTSN.COTTE-PATAT (Mme) UNITE MICROBIOLOGIE ET GENETIQUEP.FRANCIOSI GEMPPM*M.A. MANDRAND (Mme) UNITE MICROBIOLOGIE ET GENETIQUEJ.F.QUINSON GEMPPM*A.ROCHE MATERIAUX MACROMOLECULAIRESA. SEGUELA GEMPPM*
Directeurs de recherche I.N.R.A. :G.FEBVAY BIOLOGIE APPLIQUEES.GRENIER BIOLOGIE APPLIQUEE
Directeurs de recherche I.N.S.E.R.M. :A-F.PRIGENT (Mme) BIOLOGIE ET PHARMACOLOGIEI.MAGNIN (Mme) CREATIS**
* GEMPPM GROUPE D'ETUDE METALLURGIE PHYSIQUE ET PHYSIQUE DES MATERIAUX** CREATIS CENTRE DE RECHERCHE ET D’APPLICATIONS ENTRAITEMENT DE L’IMAGE ET DU SIGNAL*** LAEPSI LABORATOIRE D’ANALYSE ENVIRONNEMENTALE DESPROCEDES ET SYSTEMES INDUSTRIELS**** CEGELY CENTRE DE GENIE ELECTRIQUE DE LYON
A mes grands-parentsA mes parents
A ma famille
Remerciements
Ce travail a été réalisé au CEntre de Génie Electrique de LYon
(CEGELY), sur le site de l’INSA de Lyon dirigé par Monsieur Jean-Pierre
CHANTE, que je tiens à remercier de m'avoir proposé ce sujet et qui m'a
accepté dans son laboratoire.
Je remercie Monsieur Dominique PLANSON, pour la direction de la
thèse pendant ces trois années ainsi que pour son soutien, ainsi que Marie-
Laure LOCATELLI pour son aide.
Je tiens à remercier la société Schneider Electric pour son soutien
financier et technique à travers Monsieur Albert SENES.
Bravo à Philippe GODIGNON qui a réussi à réaliser les
démonstrateurs au CNM (Centre National de Microélectronique de Barcelone),
dirigé par José MILLAN.
Je remercie Monsieur Francis MISEREY et Monsieur José MILLAN
d'avoir accepté d'être rapporteurs de mon travail de thèse. Je remercie
également Monsieur André LHORTE et Monsieur Bruno REYMOND de leur
participation au jury examinateur du travail présenté.
Je remercie tous les membres du CEGELY que j'ai côtoyés pendant la
thèse et auparavant.
Je tiens à remercier particulièrement ma famille qui m'a soutenu durant
mon cursus universitaire.
Sommaire
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
5.10 Perspectives des composants de puissance sur SiC .......................................................46
6 PARAMÈTRES ÉLECTRIQUES DU SIC ET MODÈLES DE SIMULATIONS ......................................49
6.1 Modèles de bande interdite et masse effective ..............................................................49
6.2 Concentrations d'électrons et de trous .........................................................................516.2.1 Cas du type N (dopage azote) : ....................................................................................... 52
6.2.2 Cas du type P (dopage aluminium) .................................................................................. 53
2.3 Influence de la longueur du canal ................................................................................812.3.1 Champ électrique ........................................................................................................... 82
2.3.2 Densité de courant.......................................................................................................... 83
2.4 Influence de la profondeur de canal .............................................................................842.4.1 Champ électrique ........................................................................................................... 85
2.5 Synthèse des résultats en statique (liés aux paramètres du canal) .................................87
2.6 Influence de l'intercellule ............................................................................................88
2.7 Influence de l'épaisseur d'oxyde...................................................................................93
2.8 Influence des charges à l'interface SiO2/SiC.................................................................942.8.1 Champ électrique ........................................................................................................... 98
2.9 Modélisation analytique du composant ........................................................................99
2.10 Possibilité de commande par grille ............................................................................ 103
2.11 Tenue en tension ....................................................................................................... 104
2.11.1 Tension de claquage de la zone active ........................................................................... 104
2 CARACTÉRISATIONS DU RUN 1 ........................................................................................ 129
2.1 Caractérisation électrique du quart A ........................................................................ 1302.1.1 Centre de quart ............................................................................................................ 130
2.1.2 Bord de quart ............................................................................................................... 134
2.1.3 Caractérisation en température ...................................................................................... 135
2.2 Caractérisation électrique du quart C........................................................................ 138
2.3 Discussion des résultats obtenus................................................................................ 141
2.3.1 Motifs de tests électriques ............................................................................................ 141
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
5
INTRODUCTION
Notre environnement électrique est de plus en plus complexe et
important aussi bien en terme de quantité que de diversité des systèmes. La
nécessité de rendre ces systèmes fiables est impérative. Cette fiabilité à long
terme ou à court terme implique une robustesse du système électrique vis-à-vis
des perturbations (électriques, mécaniques, thermiques, chimiques, etc)
auxquelles il sera confronté. Le système doit être alors capable de réagir face à
ces agressions. La réaction peut être soit imprévue et irréversible (faillite et
destruction du système), soit prévue avec intervention humaine nécessaire
(arrêt du système avec remise en route manuelle), soit autonome (la gestion de
la perturbation est complètement assumée par des organes spécifiques). Les
précautions d’usage pour rendre un système fiable sont orientées vers la
sauvegarde du système lui-même et vers la sécurisation des personnels
utilisateurs ou potentiellement victimes. Les deux grandes familles de
perturbations électriques sont les surtensions et les surintensités. Les
surtensions sont généralement dues à l’alimentation électrique (le réseau EDF
par exemple) ou à des couplages électromagnétiques entre le système et son
contexte (cas de CEM, compatibilité électromagnétique) et bien sûr à la foudre.
Les surintensités sont généralement la conséquence d’une défaillance de la
charge provoquant la mise en court-circuit de l’alimentation. Le court-circuit
peut être transitoire ou permanent et est souvent préjudiciable, voire
destructeur.
Introduction
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
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La protection contre les surtensions est couramment réalisée par un
dispositif connecté en parallèle sur l’alimentation électrique. Les surintensités
sont évitées par un système, disjoncteur ou non, inséré en série entre la source
de puissance et le système à protéger.
L’objectif de notre travail est la conception et la réalisation d’un
limiteur de courant. Il s’inscrit ainsi dans la gamme des dispositifs de
protection série. L’angle d’approche pour la conception d’un tel dispositif est
celui d’une technologie à base de semi-conducteur de type carbure de silicium
(SiC). La fonction limitation de courant avec ou sans disjonction doit être
assumée par un seul composant, commandable ou non. Il doit avoir une
résistance la plus faible possible pour un courant nominal d’environ 5 A. Le
courant de saturation est d’environ dix fois le courant nominal, soit 50 A. La
tenue en tension de 600 V est celle retenue pour des applications sur le secteur
(50 Hz / 220 V).
Dans un premier temps, une présentation générale des objectifs et
moyens utilisés couramment pour la protection série et parallèle permettra de
situer le domaine d’applications visé. Une présentation de la technologie
actuelle du SiC nous donnera un aperçu de ses potentialités théoriques et
obtenues. Des réponses possibles au cahier des charges seront ensuite
proposées et évaluées grâce à ISETM (logiciel de simulation de composants à
semi-conducteur par éléments finis). Une réalisation technologique d’un
prototype ainsi que l'évaluation de ses caractérisations physiques et électriques
valideront ou non la pertinence du concept. Il sera ensuite bien venu de
conclure.
Chapitre 1 : Protection electrique et cahier des charges
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
7
Chapitre 1
PROTECTION ELECTRIQUE ET
CAHIER DES CHARGES
En présence d’une perturbation électrique, l’élément de protection
idéal doit limiter sans délai la tension ou le courant à un niveau admissible par
le circuit protégé. Il doit également consommer un minimum d’énergie au
régime nominal et un maximum d’énergie en présence de perturbations. Ceci se
traduit par un courant de fuite très faible pour un limiteur de tension et une
résistance série la plus faible possible pour un limiteur de courant. Pendant la
phase de limitation (en tension ou en courant), le composant doit pouvoir
dissiper une énergie la plus élevée possible.
1 La protection en tensionLe principe de la protection en tension est d'éviter la propagation d'une
tension anormalement élevée vers la charge. Elle est couramment réalisée par
des composants dits ‘écrêteurs’ ou ‘abaisseurs’ de tension. Les composants
Chapitre 1 : Protection electrique et cahier des charges
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
8
limiteurs de tension (écrêteurs) sont les diodes Zener, les diodes à avalanche
(Transils de ST Microelectronic), les varistances. L’autre type de suppresseurs,
dits dérivateurs, court-circuite l’alimentation ; ce comportement est celui des
Trisils (ST Microelectronic), éclateurs à gaz.
Les éléments limiteurs de tension présentent une caractéristique
statique courant-tension non-linéaire décrite par la loi empirique :
I KV α=
où K constante spécifique au composant,
α coefficient de non-linéarité.
alimentation chargeprotectionsurtension
figure 1-1 : Positionnement d’un système deprotection contre les surtensions au sein duschéma classique source/charge.
I
VVp
Vs
Vst
a=7
a=50
Ist
figure 1-2 : Caractéristique I(V)d'un organe de limitation detension avec : Ist surintensitéincidente, Vp tension du circuitprotégé, Vs tension de seuil ducomposant de protection, Vst
surtension aux bornes du circuitprotégé.
La limitation des éléments non linéaires est la tension présente à leurs
bornes en mode de protection. Cette tension est d’autant plus élevée que la non-
linéarité est faible. Pour les dispositifs dérivateurs, c’est le courant traversant le
composant de protection pendant la perturbation qui donne la limite de
fonctionnement.
Chapitre 1 : Protection electrique et cahier des charges
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
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Une rapide présentation des différents composants utilisés contre les
surtensions est ensuite proposée ; elle porte essentiellement sur les dispositifs à
semi-conducteur (silicium), les varistances (ZnO et SiC) et les éclateurs à gaz.
1.1 Composants à semi-conducteurDans la gamme des suppresseurs de tension, on trouve des composants
semi-conducteurs de type diode pn polarisée en direct, diode à avalanche
polarisée en inverse, diode Zener et composant à enclenchement de type
thyristor.
1.1.1 Diode bipolaire
La caractéristique statique de la diode montre d’emblée une aptitude à
la protection contre les surtensions, et ce dans les deux cas de polarisation,
directe ou inverse. Dans le cas de la polarisation directe de la diode, le domaine
de tension considéré se situe entre 1,3 V et 10 V. Son principal avantage
comme suppresseur réside dans sa faible
capacité (10 à 100 pF). Mais, un pouvoir
d’absorption d’énergie faible (<1 J), un courant
de fuite relativement important (1 µA à 1mA) et
une forte sensibilité à la température pénalisent
son utilisation dans de nombreuses applications.
En polarisation inverse, l’utilisation de la diode
est beaucoup plus intéressante permettant
d’accéder à des tensions de limitation plus
importantes, entre 5 V et 200 V. Leur principe
de fonctionnement repose sur le claquage non-
destructif d’une jonction PN en inverse. Pour les faibles tensions, on rencontre
préférentiellement un courant inverse dû principalement à un effet Zener, c’est-
I
VIs
Vs
Vbr
polarisationdirecte
polarisationinverse
figure 1-3 : Caractéristiquedirecte et inverse d'une diodebipolaire
Chapitre 1 : Protection electrique et cahier des charges
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
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à-dire, un franchissement ‘tunnel’ de la barrière de potentiel par les porteurs.
Ce cas correspond à des niveaux de dopage élevés et, par conséquent, à des
tensions "Vbr" faibles (5 V à 10 V). Pour des niveaux de tension plus élevés, le
courant inverse est contrôlé par un mécanisme de génération de porteurs par
avalanche.
1.1.2 Composant à effet thyristor
Contrairement à la diode, le
composant de protection à effet thyristor
ne se contente pas de supprimer la
surtension, il abaisse considérablement
celle-ci et introduit alors un court-circuit
sur l’alimentation. La structure est
multicouche, composée d’une alternance
de quatre couches de types opposés,
NPNP par exemple. Le fonctionnement du
composant est sensiblement différent de
celui de la diode. En effet, lorsque la
tension aux bornes du dérivateur thyristor
atteint un seuil appelé Vbo, un
phénomène d’auto-amorçage débute, rendant passantes toutes les jonctions (soit
3) ce qui provoque un effondrement de la tension aux bornes du dispositif. La
tension résiduelle est seulement due à la tension de seuil et sa résistance à l’état
passant. Dans ce cas, la puissance dissipée est majoritairement due au courant ;
il est donc mieux adapté que les diodes à avalanche pour évacuer le courant de
surcharge. Malgré des avantages certains (grand pouvoir d’écoulement en
courant et bonne capacité d’absorption), les dispositifs de protection à
thyristors ne sont utilisés aujourd’hui que dans certaines applications
spécifiques, telles la protection des équipements de télécommunication, des
I
V
Ibo
VboVbr
Ih
VrmIrm
direct passant
direct bloqué
inverse
figure 1-4 : Caractéristique directeet inverse d'une thyristor deprotection (Trisil).
Chapitre 1 : Protection electrique et cahier des charges
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lignes de transmission de données, des systèmes d’alarme et des alimentations.
Les principaux inconvénients sont : une gamme de température de
fonctionnement limitée, un temps de commutation sensible aux dv/dt, la mise
en court-circuit de la ligne.
1.1.3 Varistances céramiques
Une varistance est un composant électrique dont la résistance varie
avec un paramètre extérieur imposé. Dans la pratique, ne sont considérés
comme varistances que les composants dont la résistance varie en fonction de
la tension appliquée. Ces composants présentent un grand intérêt pour la
protection des circuits électriques contre les surtensions momentanées. Les
varistances les plus connues regroupent deux types de matériaux :
- les varistances compactées à base de carbure de silicium (SiC), qui
sont les plus anciennes et dont la préparation, de type céramique, implique des
traitements relativement complexes d’oxydoréduction. De plus, les non-
linéarités obtenues sont faibles (3<α<6). Elles ont été largement utilisées dans
les années 50 pour la protection et l’adaptation de lignes. Leur coefficient de
non-linéarité est généralement voisin de 5 pour des densités de courant
comprises entre 10-5 et 1 A.cm-2 et des tensions entre 10 et 1000 V. (Elles sont
faites de silicium, d’argile et de charbon, la conductivité est principalement
contrôlée par le taux de carbone).
- les varistances à base d’oxyde de zinc (ZnO), apparues dans les
années 70, présentent une forte non-linéarité (α>20) et sont préparées
par frittage d’un mélange d’oxydes, processus céramique très simple et
peu coûteux.
Chapitre 1 : Protection electrique et cahier des charges
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1.1.4 Eclateurs à gaz
Le principe des éclateurs à gaz repose sur le claquage d'un diélectrique
gazeux soumis à un champ électrique. Son avantage principal est sa technologie
très rustique, c’est aussi son inconvénient, le principe physique utilisé est
extrêmement sensible et délicat à maîtriser ce qui implique une faible précision
donnée pour la valeur de tension d’amorçage (à 15 % près). Mais les tensions
atteintes peuvent être très supérieures à celles obtenues avec les composants à
semi-conducteur actuels (10 kV en attendant le SiC). Il est également très
sensible aux dv/dt.
2 La protection sérieL'apparition d'un courant de surcharge doit être suivie par la mise en
place d'une procédure de protection comprenant une phase de détection et se
terminant par l'ouverture du circuit. Ces courants de surcharge peuvent résulter
soit d'un court-circuit franc soit d'un transitoire dû à des effet capacitifs ou des
appels de courant lors des phases de démarrage de moteur notamment. Dans le
cas d'un court-circuit franc permanent les contraintes thermiques exercées sur
la charge impliquent une réaction rapide du système de protection.
Pour les fortes tensions et forts courants (10-100 kV et 1-10 kA), des
limiteurs de courant à base de supraconducteur sont à l'étude [Verh'94]
[Tixa'94] et pourront peut-être remplacer les systèmes mécaniques. Leurs
applications concernent un niveau très amont de la distribution électrique.
Pour des applications domestiques et industrielles, le moyen le plus
économique pour protéger relativement efficacement un circuit est le
disjoncteur mécanique qui garantit une ouverture excellente du circuit, sa
vitesse de réaction est faible vis-à-vis de courts-circuits francs. Le fusible reste
le moyen le plus utilisé pour la protection contre les surintensités. Rapide à
mettre en œuvre, il est utilisé dans une large gamme d’applications. Il est
généralement couplé à un disjoncteur mécanique. Cependant, la vitesse de
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réaction de ces systèmes de coupure reste faible et ne garantit pas toujours la
sauvegarde des installations. L'endommagement de matériels à base de semi-
conducteur est réalisé dans les premières microsecondes de court-circuit. Des
systèmes plus complexes mettant en œuvre des interrupteurs à base de semi-
conducteur ont été développés [DePa'92]. Ces systèmes constituent un moyen
performant de protection mais sont beaucoup plus chers que le simple fusible.
Dans le cadre d'intégration fonctionnelle (fonction complète d'électronique de
puissance intégrée sur une seule puce), un limiteur de courant en silicium a été
développé au L.A.A.S. à Toulouse [Guil'98] [Sanc'96] (400-1000 V / 250 mA à
5 V / surface=0,8¥0,8=0,64 mm2), il présente une densité de courant de
saturation d'environ 80 A.cm-2 et une résistance série spécifique de quelques
130 mΩ.cm2.
Dans le domaine des fusibles, on s'oriente vers des matériaux
polymères dont la résistivité augmente avec la température. On obtient des
fusibles PTC (Coefficient de Température Positif) limiteurs de courant
[Strü'99] dont la température interne produite par effet Joule modifie ses
propriétés physiques et rend le composant très résistif. Leur fonctionnement est
basé sur le même principe que le fusible signifiant une vitesse de réaction
relativement lente. Le fusible PTC présenté par [Strü'99] intervient au bout de 1
ms dans un cas de court-circuit sur une alimentation 3 kV / 50 Hz. Les gammes
de tension et de courant visées sont obtenues par multiplication du nombre de
PTC en série et en parallèle (un PTC : 300 V / 5 mΩ).
2.1 Principe de protection sérieLa figure 1-5 et la figure 1-6 illustrent le principe de coupure des
appareillages de protection série en phase en court-circuit.
Chapitre 1 : Protection electrique et cahier des charges
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R L
e
Dispositif de protection
Dispositif à protéger
disjoncteur
figure 1-5 : Introduction d'un dispositif deprotection entre l'élément à protéger et lasource de tension. R et L constituent larésistance et l'inductance de ligne.
courant de défaut
i
t
t
v
e
courant dans le dispositif de protection
5 ms 10 ms0
tpa ta
Tension aux bornes dudispositif de protection
figure 1-6 : Formes d'ondes associées àl'ouverture du circuit en phase de court-circuit sur un réseau 50 Hz.
Durant le court-circuit, il faut interposer dans le réseau un organe
capable de tenir la tension du réseau et d'éviter le passage du courant présumé
de court-circuit. La tension aux bornes du dispositif de protection est :
disjoncteurdiV e Ri Ldt
= − −
Dans le cas d'un réseau essentiellement inductif, la variation du courant
est :
disjoncteure Vdidt L
−=
Durant le temps tpa (figure 1-6), le dispositif de protection laisse
passer le courant de défaut. A l’instant tpa, l'ordre de coupure est donné et la
forme d'onde du courant (di/dt) entraîne la forme d'onde de tension aux bornes
du dispositif disjoncteur. Pendant la coupure le courant traversant le disjoncteur
mécanique est un courant d'arc ; pendant toute la durée de l'extinction de l'arc,
Chapitre 1 : Protection electrique et cahier des charges
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ta, la tension aux bornes du disjoncteur est alors supérieure à celle du réseau.
Durant la phase de coupure, l'appareillage disjoncteur est amené à dissiper
l'énergie emmagasinée dans les inductances du réseau et celle fournie par le
réseau. L'énergie fournie par le réseau dépend essentiellement de son niveau de
tension au moment de l'ouverture, si on ouvre à e=Vmax alors We=Wmax.
L'énergie selfique est principalement due au niveau de courant atteint au
déclenchement de la coupure, il faut donc réagir le plus vite possible pour
limiter l'énergie à dissiper. Dans le cas du fusible, on note l'énergie maximale
dissipable (rupture) par le fusible par la notion I2t (intégrale de Joule) avec :
2 2
0
tpa ta
I t i dt+
= ∫
L'utilisation des composants à semi-conducteur permet d'éviter
l'arquage et autorise un contrôle précis de la coupure.
2.2 Cahier des chargesNotre préoccupation est de soulager le disjoncteur mécanique ou autre
organe de coupure (intelligent ou non) en proposant une limitation du courant
de défaut pendant une ou deux alternances sur le réseau 50 Hz. L'amélioration
de la protection série en couplant un disjoncteur et un limiteur de courant est
proposée sur la figure 1-7 et la figure 1-8. Dans le cas de surcharges transitoires
durant une ou deux alternances, il est possible d'envisager une action de
protection uniquement prise en charge par le limiteur. Dans le cas de court-
circuit franc et permanent, une action du disjoncteur est inévitable et il est
possible de choisir l'instant d'ouverture (passage à zéro de la tension réseau par
exemple) pour minimiser l'énergie dissipée dans le disjoncteur. On peut
imaginer également une protection entièrement assurée par le limiteur de
courant dans le cas où une commande de celui-ci permet d'ouvrir le circuit.
Le composant limiteur est, dans les deux cas, amené à fonctionner en
présence conjointe de tension et de courant et ainsi de forte dissipation par effet
Chapitre 1 : Protection electrique et cahier des charges
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
16
Joule. Il doit alors continuer à fonctionner en présence d'une température
interne pouvant être élevée (600 °C par exemple).
R L
e
Dispositif de protection
Dispositif à protéger
disjoncteurlimiteur
figure 1-7 : Addition d'un limiteur dans leprincipe de protection série.
courant de défaut
i
t
t
v
e
courant dans le dispositif de protection
5 ms 10 ms0
tpa
Tension aux bornes dudispositif de protection
figure 1-8 : Formes d'ondes d'un cas deprotection série par limiteur+disjoncteur.On laisse le limiteur agir jusqu'aupassage à zéro de la tension du réseaupuis on ouvre avec le disjoncteur.
Le cahier des charges envisage un composant limiteur de courant
commandable de calibre 600 V / 50 A avec un courant nominal de 5 A et un
courant de saturation de 50 A. Sa résistance série doit être la plus faible
possible.
L'emploi du carbure de silicium est tout à fait envisageable pour ce
type d'application. Ce matériau est, de par ses propriétés physiques, capable de
travailler à haute température et autorise de très faibles résistances séries pour
la gamme de tension visée. La conception et la réalisation d'un tel composant
sont le sujet de ce travail.
Dans un autre cas d'étude, le SiC serait sans doute adapté pour des
applications de protection en tension (faible courant de fuite, peu de dérive en
température et capable de fonctionner à haute température).
Chapitre 2 : Etat de l’art du SiC
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
17
Chapitre 2
ETAT DE L’ART DU SIC
1 Bref historique
Les premières analyses physiques de SiC reviennent à
Jöns Jacob Berzelius en 1824. Les traces naturelles de SiC
sont le plus souvent d'origine extra-terrestre, et témoignent
d'impacts de météores avec la Terre. En 1905, H. Moissan
identifia du SiC (baptisé Moissanite) dans une météorite
trouvée dans le célèbre "Meteor Crater" en Arizona [Mois'05].
La synthèse accidentelle de cristaux de SiC à la place de
diamant est à attribuer à Acheson [Ache'92], en 1892. Le
"Carborundum" obtenu par Acheson fut rapidement utilisé
comme abrasif, sa dureté élevée (9,5) le classe encore parmi les meilleures
poudres utilisées. Son utilisation électrique fut proposée en 1907 par H.J.
Round [Roun'07] à travers la réalisation de la première diode
électroluminescente en SiC. Il faut attendre 1955 avec Lely [Lely'55] pour voir
une avancée significative de la méthode de synthèse de SiC mono-cristallin. Ce
procédé annonce le véritable début de la filière SiC à une période où l'intérêt
J.J. Berzelius(caricature de William
Jesen)
Chapitre 2 : Etat de l’art du SiC
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
18
pour les semi-conducteurs est grandissant. Un second élan est apporté en 1978
par Tairov et Tsvetkov [Tair'78] qui, en s'inspirant de Lely, introduisent une
méthode de croissance par sublimation à partir d'un germe, procédé intitulé
"Lely modifié". L'intérêt économique de la filière SiC se révèle alors possible
et conduit à de rapides améliorations techniques dont celle proposée par Kuroda
et Matsunami en 1987 [Kuro'87] et à la création, la même année, de CREE Inc.,
premier fabricant à vocation industrielle de substrats SiC mono-cristallins.
2 Aspect cristallographique
Il existe environ 200 polytypes (structures cristallographiques)
répertoriés du SiC. Les plus utilisés sont le 6H, 4H (H pour hexagonal), le 3C
(C pour cubique) et le 15R (R pour rhomboédrique). Cette nomenclature
proposée par Ramsdell identifie chaque polytype en juxtaposant le nombre de
plans cristallins compacts contenus dans une séquence et le type
cristallographique. Le polytypisme du SiC résulte d'un double choix
d'empilement des sphères (une sphère est la représentation simplifiée d'une
liaison Si-C) d'un plan compact à l'autre.
Trois positionnements sont alors possibles et sont référencés
arbitrairement par A, B et C. La figure 2-1 reprend à travers divers schémas
l'analogie sphère/liaison Si-C. La figure 2-2 illustre la position des atomes de
silicium et de carbone suivant divers polytypes tels que le 3C, le 4H et le 6H.
Les empilements (figure 2-2) sont orientés suivant l'axe de la liaison Si-C,
également appelé "axe c" (positivement suivant "SiC "). La découpe du
matériau se fait au niveau de la liaison Si-C d'une sphère ; il en résulte deux
faces dont les surfaces sont composées soit d'atomes de silicium, soit de
carbone. On parle de "face Si" ou de "face C".
Chapitre 2 : Etat de l’art du SiC
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
19
Si
c
a
Si-C
Si
SiSiSi
c
(a) Liaison Si-C (1,89 Å) et arrangement
tetragonal (a=3,08 Å) entre un atome de
carbone (C) et quatre atomes de silicium (Si) (b) Analogie Sphère-liaison Si-C
(c) site cubique
(d) site hexagonal
figure 2-1 : Représentation de la liaison Si-C et d'un tétraèdre (4Si-1C) (a), analogiesphère –liaison Si-C (b), deux configurations des liaisons libres d'une sphère (c) et (d).
0,00
2,52
5,04
7,56
10,08
12,60
15,12CBACBA
axe
C [
Ang
stro
m]
111< > 110< >
Axe
c [
Å]
(a) 3C-SiC suivant 110< >
(b) Référentiel
hexagonal0,00
2,52
5,04
7,56
10,08
12,60
15,12
17,64
20,16
CB
BABCBA
axe
C
[Ang
stro
m]
0001< > 1120< >
Axe
c [
Å]
(c) 4H-SiC suivant 1120< >
A B Ce) Positions relatives (A, B et C) des plans de sphères.
0,00
2,52
5,04
7,56
10,08
12,60
15,12
17,64
20,16BABCACBA
axe
C [
Angs
trom
]
0001< > 1120< >
Axe
c [
Å]
(d) 6H-SiC suivant 1120< >
figure 2-2 : Représentation des polytypes 3C, 4H et 6H (suivant la direction 110< > pour
le 3C et 1120< > pour le 4H et 6H (perpendiculaire à la feuille)), l'échelle indique la
position des atomes suivant l'axe c en Ångström, l'écart entre deux plans est 2,52 Å (a)(c) (d). Positions relatives des plans (e).
Chapitre 2 : Etat de l’art du SiC
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
20
Le seul polytype cubique répertorié est le SiC-3C, les directions
cristallographiques sont, dans ce cas, repérées dans le référentiel classique
(trois axes). Dans le cas du 3C, la direction suivant l'axe c est <111>. Un
changement de référentiel est commodément utilisé pour les autres types
cristallographiques génériquement appelés α-SiC (β-SiC pour le cubique) et se
compose de quatre axes : trois axes coplanaires (dans un plan de sphère) et un
axe orthogonal, l'axe c (figure 2-2 (b)). La notation classique de Miller à trois
indice, hkl, gagne une composante et on note les directions par <a1a2a4a3> avec
a4=-(a1+a2+a3). Cette notation à quatre indices sert essentiellement à éviter de
confondre le repère cubique et le repère hexagonal.
3 Réalisation des plaquettes de SiC
3.1 Croissance de mono-cristaux
3.1.1 Méthode d'Acheson [Ache'92]
La méthode d'Acheson permet de
fournir facilement du SiC comme abrasif.
Elle est utilisée pour la synthèse de cristaux
de SiC de mauvaise qualité (mélange de
polytypes, impuretés).
Un mélange de silice et de carbone
est disposé autour d'une électrode en
graphite. Un courant traversant l'électrode
porte la température du mélange à 2700 °C.
En périphérie, se trouve une partie du
mélange qui n'a pas réagi et, plus près du
cœur, une zone de SiC amorphe. A
proximité de l'électrode se trouve une couche de graphite due à la séparation du
Mélange SiO2 et CElectrode en carboneEnceinteGraphiteSiC “amorphe”SiC avec inclusions de cristaux
Avant
Après
figure 2-3 : Four Acheson (1892)(image issue de www.ifm.liu.se)
Chapitre 2 : Etat de l’art du SiC
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
21
carbone et du silicium. Entre le SiC amorphe et le graphite, on peut espérer
trouver des inclusions de SiC cristallin. Une description du principe est
proposée figure 2-3.
3.1.2 Méthode Lely [Lely'55]
La méthode développée par Lely permet de réaliser des cristaux de
petite taille (0,5-1 cm2) avec cependant
une très bonne qualité cristalline (un
seul polytype par plaquette). Le procédé
de fabrication est décrit sur la figure
2-4. De la poudre de SiC est intercalée
entre deux parois de graphite dont une
poreuse. L'enceinte externe est chauffée
à 2500 °C, le SiC se sublime en Si, SiC2
et Si2C, qui traversent le graphite poreux
et se condensent sur la paroi interne du creuset. Le SiC formé est généralement
hexagonal et il n'est pas possible de choisir le polytype. Les cristaux Lely sont
à la base des méthodes de croissance actuelles qui nécessitent un germe sur
lequel croît le cristal.
3.1.3 Méthode de "Lely modifiée" et avancées techniques
La synthèse de "lingots" de SiC par la technique dite de "Lely
modifiée" (appelée encore sublimation ou Transport en Phase Vapeur, PVT) est
actuellement largement utilisée par beaucoup d'équipes (recherche et industrie).
Elle a été tentée avec succès pour la première fois en 1978 par Tairov et
Tsvetkov [Tair'78]. Un schéma de principe de la méthode est proposé sur la
figure 2-5. D'un coté du bâti de croissance se trouve la source composée de
poudre de SiC, de l'autre coté est placé un germe, généralement une "plaquette"
Lely. Le tout est chauffé par une source inductive RF, la poudre se sublime, les
Graphite
Graphite poreux
Poudre SiC
Carbone
SiC mono-cristallin
figure 2-4 : Réacteur Lely (1955)(image issue de www.ifm.liu.se)
Chapitre 2 : Etat de l’art du SiC
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22
espèces Si, Si2C et SiC2 sont créées et drainées, par un gradient thermique, vers
le germe où elles se condensent suivant son polytype.
Cristal
Source
Gra
phite
Sublimation
Transport Dépôt
T2
T1
T2>T1SiSi2C
SiC2
1 Couvercle
2 Induction RF
3 Poudre de SiC
4 Creuset
5 Isolation
6 Germe de SiC mono-cristallin (Lely)
figure 2-5 : Principe de la méthode Lely modifiée (1978) et architecture du réacteurassocié (image issue de www.ifm.liu.se).
Les températures adoptées dans le réacteur sont de 2200 °C à 2500 °C.
Le gradient thermique est de 10-40 °C/cm de la source vers le germe. La
pression interne est de 10 à 50 Torr sous argon. La distance entre la source et le
germe est initialement de 10 à 30 mm. La vitesse de croissance est de 0,5 à 2
mm/h. Cette technologie de croissance de boules de SiC mono-cristallin
autorise un contrôle du polytype de la couche déposée via des réglages
thermodynamiques fins. La qualité du matériau synthétisé est moins bonne que
par la méthode Lely mais offre l'énorme avantage de pouvoir fournir des
plaquettes beaucoup plus grandes : 100 mm de diamètre annoncé par CREE, fin
1999 [Hobg'00]. Les défauts structuraux constatés dans les lingots sont
principalement les micropores, trous de diamètres variables (0,1 à 3 µm)
traversant le cristal, et les dislocations en tout genre. Les densités moyennes de
micropores et de dislocations sont respectivement de 10-100 cm-2 et 102-104
cm-2.
Chapitre 2 : Etat de l’art du SiC
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
23
CREE est actuellement l'entreprise la plus avancée aussi bien
commercialement que technologiquement. La figure 2-6 montre l'évolution de
la production de substrats chez CREE depuis 1993 suivant le diamètre des
plaquettes et la densité de micropores obtenue [Tsve'98] [Cart'99] [Cart'01].
1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000
25
50
75
100
100
75
50
353020φ
de w
afer
CR
EE
[mm
]
1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 20000,1
1
10
100
1000
Production
R&D
50 mm
35 mm
35 mm
30 mm
25 mm
Den
sité
de
mic
ropo
res
[cm
-2]
figure 2-6 : Production R&D et commerciale de substrat SiC par CREE en diamètre etdensité de micropores [Cart'99] [Cart'01].
Actuellement, beaucoup d'équipes étudient l'optimisation de la
méthode de Lely modifiée : Kyoto (Japon) [Nish'01], Linköping (Suède)
Les polytypes visés sont le plus souvent le 4H, le 6H, et récemment le
15R [Nish'01] [Schu'00]. Le substrat obtenu est généralement de type N (azote)
contrôlé (1019cm-3). L’obtention de substrats de type P (aluminium) contrôlé est
délicate et moins attrayante électriquement que le type N avec cependant un
regain d’intérêt récent [Schu'01] [Bick'01] pour la réalisation d’IGBTs canal N
ou de thyristors. Des investigations sur de nouvelles méthodes de croissance
sont en cours, telles que la croissance en phase liquide (LPG) [Hofm'99] ou en
zone flottante (FZ) [Woll'00], et par dépôt chimique en phase vapeur à haute
température (HTCVD, 'High Temperature Chemical Vapor Deposition')
[Elli'00] [Kord'97].
Chapitre 2 : Etat de l’art du SiC
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
24
3.2 Homoépitaxie
3.2.1 Dépôt chimique en phase vapeur (CVD)
La technique de dépôt chimique en phase vapeur est la plus utilisée
pour l'homoépitaxie sur SiC. Elle a été améliorée par Kuroda et Matsunami en
1987 [Kuro'87] en développant une méthode de croissance par avancée de
marches ('Step-controlled epitaxy'). La figure 2-7 illustre le principe d'un bâti
d'épitaxie par CVD. L'enceinte est constituée d'un tube en quartz entouré de
spires inductives dans lequel est disposée la plaquette à épitaxier, placée sur un
suscepteur. Le carbone et le silicium sont introduits, via un flux d'H2 (gaz
porteur), sous forme de SiH4, C3H8 ou CH4. La croissance s'effectue à une
température de 1400 °C à 1600 °C.
SiH4
CH4C3H8
Induction RF
Tube en quartz
Suscepteur et substratH2
ABCAC
0001< >
C C B
Unique possibilitéau niveau de la marche Deux positions possibles
Surface
figure 2-7 : Principe de l'homoépitaxie CVD (image issue de www.ifm.liu.se) etillustration de la technique de croissance par avancée de marches [Kuro'87] (image de[Kimo’97]).
La technique de croissance par marche permet un bon contrôle du type
de plan (A, B ou C) déposé et d'obtenir une couche épitaxiée sans inclusions de
polytypes parasites. La vitesse de croissance est de 2 à 5 µm/h. Une
désorientation du cristal (par rapport à <0001>) est recommandée pour obtenir
une couche de bonne qualité cristalline [Kimo'97] et une vitesse de croissance
importante. Les angles utilisés sont 8° pour le 4H et 3,5° pour le 6H. Ce
procédé a eu un grand succès [Powe'90] [Karm'92] et est encore très utilisé
sous des formes différentes : structure verticale [Rupp'97] [Rupp'98], parois
chaudes [Kord'94], barillet multi-wafer [Nord'00], rotation du substrat
Chapitre 2 : Etat de l’art du SiC
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
25
[Rupp'95]. Les architectures verticales à parois chaudes permettent d'atteindre
des vitesses de croissance d'environ 50 µm/h [Elli'00].
Le contrôle du type et niveau de dopage dans la couche épitaxiée se
fait en ajoutant l'impureté dopante sous forme de gaz dans l'enceinte pendant la
croissance. L'apport d'azote (N2) permet d'obtenir le type N; le type P est
obtenu avec le Bore (B2H6) ou l'aluminium (Al(C2H5)3). Le niveau
d'incorporation des impuretés au cristal est contrôlé par le rapport Si/C,
physiquement expliqué par compétition de site [Kord'97]. Le niveau de dopage
résiduel est d'environ 1013-1014 cm-3, la concentration contrôlée est de 1015 à
1019 cm-3.
3.2.2 Nouvelles techniques
D'autres techniques sont à l'essai pour augmenter la vitesse de
croissance :
- VPE: épitaxie en phase vapeur [Syva'98] (400µm/h), aussi appelée
épitaxie par sublimation [Nish'99] (50µm/h).
- LPE : épitaxie en phase liquide [Yaki'00] qui peut servir également
pour boucher les micropores.
- HTCVD
La méthode de dépôt chimique en phase vapeur à haute température
(HTCVD) semble la meilleure pour obtenir des épitaxies épaisses, avec des
vitesse de croissance élevées 500 µm/h (800 µm/h [Elli'00]), et de qualité
comparable aux couches obtenues par la technique CVD [Kord'97] [Kord'98].
3.3 HétéroépitaxieLa croissance de SiC-3C sur Si a été initiée par Matsunami en 1980
[Nish'80] et permet de bénéficier de substrats de 3C, difficiles à obtenir par
croissance classique. La différence de paramètres de maille (20 %) et de
coefficient de dilatation (8 %) font de l'interface SiC-3C/Si un lieu propice aux
Chapitre 2 : Etat de l’art du SiC
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26
développement de défauts structuraux telles que des dislocations, des fautes
d'empilement et des défauts planaires étendus [Fuyu'97]. Une étape de
"carbonisation" est pratiquée en début de croissance sur la surface du substrat
de silicium afin de diminuer le nombre de défauts. La tendance actuelle en
matière d'épitaxie SiC-3C sur Si est à la MBE [Fuyu'97], épitaxie par jet
moléculaire ('Molecular Beam Epitaxy').
D'autres hétérostructures émergent, constituées d'un empilement
SiC/SiO2/Si appelé SICOITM [Cioc'97] ou SIMOX [Hara'00]. Leur intérêt
premier est l'obtention de plaquettes de grande taille à moindre coût
éventuellement exploitables par une filière circuit intégré CMOS. Leur
utilisation pour des composants discrets de puissance reste à prouver. Le
procédé de fabrication de ces substrats comporte une implantation forte dose
d'hydrogène (SICOITM) ou d'oxygène (SIMOX) qui altère la qualité de la
couche de SiC [Cioc'97].
4 Technologie des composants
4.1 Dopage
4.1.1 Dopage in situ
L'incorporation des dopants tels que l'azote (type N), l'aluminium ou le
bore (type P) est possible durant la phase d'élaboration du matériau (croissance
du substrat et des épitaxies). Elle permet d'obtenir une couche dopée
d'épaisseur et de dopage maintenant fiables. Le mécanisme du contrôle du
dopage avec le rapport Si/C en CVD permet d'obtenir une bonne activation des
impuretés intégrées à la matrice cristalline. On considère que 100 % des
impuretés introduites sont électriquement actives. L'aluminium s'incorpore à la
matrice cristalline en site silicium et l'azote en site carbone [Kord'97].
Chapitre 2 : Etat de l’art du SiC
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27
4.1.2 Dopage localisé par diffusion
L'obtention de couches dopées par diffusion est très difficile dans le
SiC. Les coefficients de diffusion des impuretés dopantes sont très faibles et
requièrent des températures et des durées dissuasives. Les coefficients de
diffusion de l'aluminium et du bore sont respectivement 6¥10-14 cm2.s-1 et
8¥10-13 cm2.s-1 (à 1700 °C) [Trof'97]. Des études récentes donnent une valeur
de 2,5¥10-11 cm2.s-1 pour le bore à 2050 °C [Brac'01]. Un essai de réalisation
de diode bipolaire par diffusion de bore à 2000 °C pendant 30 min [Solo'00]
conduit à un composant passant 100 A.cm-2 à 12 V !
4.1.3 Dopage localisé par implantation ionique
L'implantation ionique est la technique la plus utilisée pour l'obtention
de dopages localisés. Les impuretés les plus utilisées sont l'aluminium et le
bore pour obtenir le type P, l'azote et récemment le phosphore pour le type N.
Le principal inconvénient est, faute de diffusion possible, le domaine réduit des
profondeurs de dopage possibles. En effet, l'ordre de grandeur de la pénétration
d'atomes d'aluminium dans le SiC est 1 nm/keV (position du maximum de la
distribution d'atomes dans le SiC, Rp [nm], divisée par l'énergie d'implantation,
E [keV]). Pour obtenir une profondeur d'implantation d'aluminium de 1 µm, il
faut une énergie d'implantation de l'ordre de 1 MeV. Par conséquent, il est
difficile techniquement d'obtenir des jonctions profondes (>1 µm) avec les
implanteurs "classiques" utilisés par la filière silicium (typiquement, l'énergie
maximale disponible est de 200 keV). La profondeur de pénétration est
directement liée à la masse du projectile (l'impureté) et à la masse volumique
du matériau cible (SiC, 3,21 g.cm-3) [Morv'99]. L'atome de bore, plus petit que
celui d'aluminium, pénètre environ à 2 nm/keV, l'azote à quelques 1,5 nm/keV.
Pour implanter profond, il faut : soit implanter à haute énergie [Schö'01], soit
"tirer" intentionnellement selon une direction cristallographique privilégiée
suivant laquelle la disposition les atomes de silicium et de carbone crée des
Chapitre 2 : Etat de l’art du SiC
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28
"canaux" [Morv'99] [Jans'00]. Un autre inconvénient est l'endommagement du
matériau par l'implantation [Morv'98] se traduisant par des modifications
locales de la stœchiométrie du SiC et l'altération de sa structure cristalline. Une
étape de recuit haute température est alors nécessaire pour recristalliser le
mieux possible le matériau et permettre aux impuretés implantées de migrer
vers un site cristallin adéquat pour devenir véritablement des dopants [Laza'00].
4.1.3.1 Recuit post-implantationLe recuit peut être effectué dans une enceinte formée d'un tube en
quartz dans laquelle un suscepteur supporte la plaquette de SiC surmontée d'un
capot (four utilisé au Cegely). La température de recuit se situe entre 1300 °C
et 1800 °C, pendant 10 à 30 min. Le tableau ci-dessous donne quelques
résultats de recuits pour des implantations d'azote, de phosphore et
d'aluminium.
ImplantationEspèce
implantée Dose
[cm-2]
T
[°C]
Conditions de
recuit
Dopage
chimique
[cm-3]
n,p
[cm-3]
(300K)
µ
[cm2.V-1.s-1]
(300K)
R
[Ω/]
Ref
Al 1,7¥1015 20 6H 1700 °C/30min 4¥1019 40 19000 [Laza'00]
Al 4¥1015
4¥1015
20
500
4H
4H
1700 °C/30min
1700 °C/30min
95000
3600
[Kimo'01]
N 4¥1015 800 4H 1600 °C/30min 420 [Kimo'01]
N 1¥1013 20 6H 1700°C/30min 2¥1017 180 6700 [Laza'01]
N 4¥1015 800 6H 1500°C/30min ~1019 500 [Kimo'97]
N 1015
1015
650
650
6H
6H
1300 °C/2min
1300 °C/2min
5¥1018
5¥1017
2¥1018
3¥1017
100
200
[Thom'98]
N 2¥1015
2¥1015
650
650
650
6H
4H
4H
1300 °C/30min
1300 °C/30min
1300 °C/30min
8¥1019
8¥1019
4¥1017
2¥1018
1,7¥1018
1¥1017
85
75
230 8000
[Gimb'99]
P 4¥1015
4¥1015
20
800
4H
4H
1700 °C/30min
1700 °C/30min
105
180
[Kimo'01]
P 7¥1015 500 4H 1600 °C/30min 2¥1020 70 [Imai'00]
Chapitre 2 : Etat de l’art du SiC
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
29
Les bâtis d'épitaxie ou autres types d'enceintes haute température
peuvent également être utilisés comme four de recuit.
Des tentatives de recuits laser n'ont pas donné de meilleurs résultats
[Hish'00]. Une technique de dopage basée sur la transmutation du silicium en
phosphore [Tamu'00] due à un bombardement de neutrons a été tentée. Il faut
50 heures pour changer le type P (8¥1014 cm-3) en type N (1,7¥1015 cm-3) avec
une dose de neutrons de 1019 cm-2.
4.1.4 Niveaux donneurs et accepteurs
Les niveaux d'énergie donneurs ou accepteurs sont donnés dans la table
ci-dessous respectivement par rapport à EC et à EV (mesurés par
photoluminescence, effet Hall ou spectroscopie infra-rouge).
3C 4H 6H 15R
k h k h k h k
Ref
B
(P)
735 647
285
285-310
647
285
285-310
698
300-400
723
300-400
666 700 [Iked'80]
[Trof'96]
[Trof'97]
Al
(P)
254
257
191
191-230
191
191-230
239
200-250
249
200-250
206 221 [Iked'80]
[Trof'97]
[Fuku'97]
N
(N)
56,5
54
66
52,1
42
124
91,8
84
100
81
155
137,6/142,4
64 112 [Iked'80]
[Gotz'94]
[Capa'00]
[Spae'00]
P
(N) 53 93
80 110 [Pepp'96]
[Capa'00]
k: site cubique / h: site hexagonal / (P): accepteur / (N): donneur
3C: 1 site k / 4H: 1 site k, 1 site h / 6H: 2 site k, 1 site h / 15R: 3 site k, 2 site h
Les impuretés azote et phosphore ont un niveau donneur proche de la
bande de conduction et permettent d'obtenir une concentration d'électrons à 300
Chapitre 2 : Etat de l’art du SiC
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
30
K s'élevant à environ 50 % du niveau de dopage, ND. Pour le type P, les
niveaux sont relativement profonds (~200 meV pour Al et ~300 meV pour B) et
sont responsables d'une concentration de trous à 300 K d'environ 5 % du niveau
de dopage, NA. Les valeurs des niveaux d'énergie dépendent du site, cubique ou
hexagonal, occupé par l'impureté. L'aluminium et le bore donnent des niveaux
plus profonds respectivement dans le SiC-4H et 6H. L'aluminium est
responsable d'un niveau profond situé et 570 meV (/EV), attribué à un centre I,
dans le 4H [Anik'86]. Le bore introduit un niveau d'énergie attribué à un
complexe, dit "centre D", de 580 meV (/EV) dans le 6H [Sutt'90].
4.2 Oxydes et isolantsUn des atouts majeurs de la filière silicium est son oxyde, SiO2. Il est
relativement facile à faire croître et présente de bonnes propriétés électriques
(champ électrique de claquage ~13 MV.cm-1 pour un oxyde thermique). Cet
avantage existe aussi pour la technologie du SiC mais le "mariage" SiC/SiO2
n'est pour l'instant pas acquis, peut être perturbé par le carbone. L'obtention
d'une bonne interface SiC/SiO2 ouvre la voie à la technologie MOSFET et est
également indispensable à la passivation de tout composant de puissance.
4.2.1 Oxydes thermiques
L'oxydation du SiC résulte d'une réaction avec l'oxygène sous la forme
d'O2 (oxydation sèche), ou d'H2O (oxydation humide). L'épaisseur de SiC
consommée par oxydation est 45 % de l'épaisseur de SiO2 obtenue [Rayn'01].
La cinétique de croissance diffère suivant le type d'oxydation : il faut 4 h à
1050 °C pour 20 nm d'oxyde en oxydation humide et 14 h en oxydation sèche
[Koh'00]. La vitesse de croissance varie suivant la face (Si ou C) et suivant le
plan cristallin : rapport de 5 en faveur de la face C(000-1) par rapport à face
Si(0001) [Wrig'99], et de 3-5 en faveur de (11-20) par rapport à (0001)
[Yano'00] pour du SiC-4H et 6H. L'application à la croissance d'oxyde de
Chapitre 2 : Etat de l’art du SiC
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
31
passivation n'est pas envisageable compte tenu des performances affichées, une
solution [Nipo'99] conduisant à une multiplication par dix de la vitesse de
croissance est possible en amorphisant le SiC par implantation ionique. La
formation de LOCOS est également étudiée [Ueno'97].
4.2.1.1 Propriétés électriques et interface SiO2/SiCLe champ électrique de claquage des oxydes thermiques est d'environ
10 MV.cm-1 à 300 K et 6 MV.cm-1 à 600 K [Anth'99]. "L'espérance de vie" d'un
oxyde soumis à 5 MV.cm-1 est de 10 ans à 25 °C, elle passe à 1000 s à 350 °C
[Lipk'00] [Bano'96] [Bano'97] ce qui peut être handicapant pour des
applications hautes températures. L'oxyde obtenu sur SiC est actuellement
source de charges fixes importantes, Qeff (cm-2), et à l'interface SiO2/SiC, Dit
(eV-1.cm-2). Quelques résultats sont proposés dans le tableau ci-dessous.
Type /
concentration
[cm-3]
Grille T [°C]
/
t [h]
eox
[nm]
Qeff
[cm-2]
Dit
[eV-1.cm-2]
Conditions
d'oxydation
H: humide / S: sèche
Ref
4H N: 1,1¥1016 Ni 1050 / 4
1050 / 14
24
30
-7¥1011
-1,2¥1012
H / 850 °C O2 / Ar
S / 850 °C O2 / Ar
[Koh'00]
4H N: 2¥1016 1120 / 24 124 -1,5¥1012
-2¥1011
1¥1012 S / Ar / mes. à 80K
S / Ar / mes. à 300K/
[Bass'00]
4H
(0001)
P: 5-10¥1015 Al 1150 / 2
1150 / 3
40
40
-3,5¥1012
-1¥1012
H / 1000 °C H2 / Ar
S / 1000 °C H2 / Ar
[Mats'00]
6H
(0001)
P: 5-10¥1015 Al 1150 / 2
1150 / 3
40
40
-5,8¥1011
1,1¥1012
H / 1000 °C H2 / Ar
S / 1000 °C H2 / Ar
[Mats'00]
15R
(0001)
P: 5-10¥1015 Al 1150 / 2
1150 / 3
40
40
-5,7¥1011
9¥1011
H / 1000 °C H2 / Ar
S / 1000 °C H2 / Ar
[Mats'00]
4H
(0001)
(11-20)
N: 1¥1016 Al 1100 / 1
1100 / 1
41
43
-6,5¥1011
-1,3¥1012
2¥1013
1013
H / 1000 °C H2 / Ar
[Yano'01]
6H
(0001)
(11-20)
N: 1¥1016 Al 1100 / 1
1100 / 1
43
34
-1,2¥1011
-2,2¥1011
4¥1012
6¥1012
H / 1000 °C H2 / Ar [Yano'01]
Chapitre 2 : Etat de l’art du SiC
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
32
Le type de conductivité du substrat (N ou P) introduit des différences
notables [Afan'97]. Les oxydes réalisés sur type N présentent de faibles
densités de charges à l'interface de
l'ordre de 1011-1012 eV-1.cm-2 ; sur
le type P, on obtient généralement
1012-1013 eV-1.cm-2. Les valeurs
obtenues pour Qeff et Dit sont
souvent du même ordre de grandeur.
Les charges fixes globales, Qeff, sont
généralement négatives sur type N
et positives sur type P. Différentes
conditions de traitement ont été
essayées et il semble qu'un recuit post-oxydation sous Argon avec 10 % d'H2
améliore l'interface SiO2/SiC [Ueno'99].
L'interface SiO2/SiC influe directement sur la mobilité des couches
d'inversion dans les structures MOSFETs à canal N. Les polytypes 6H et 15R
sont de bons candidats pour les MOSFETs, les mobilités effectives, µeff, des
électrons dans le canal obtenues expérimentalement sont respectivement
environ 40 et 60 cm2.V-1.s-1. Le 4H est le mauvais élève et n'obtient qu'environ
5 cm2.V-1.s-1 [Mats'00]. Cette différence peut être attribuée à la distribution des
états d'interface, Dit, proposée sur la figure 2-8. D'autres phénomènes
altéreraient le transport des électrons dans le canal d'inversion des N-
MOSFETs, certains prônent des discontinuités de la couche d'inversion dues à
des fluctuations de potentiel [Ouis'95] [Ouis'95], d'autres cherchent de
nouvelles orientations cristallines [Yano'00]. Des investigations sur le plan (11-
20) ont conduit à une amélioration spectaculaire de la mobilité du canal sur le
4H et le 6H [Yano'00] (µeff=30 cm2.V-1.s-1 (µmax=80 cm2.V-1.s-1) pour le 4H, et
µeff=70 cm2.V-1.s-1 (µmax=115 cm2.V-1.s-1) pour le 6H). Les améliorations de
l'interface SiO2/SiC à travers une optimisation à la fois des conditions
4H
6H
15R
SiO2 SiC
Ec
Ev
E
Dit
piège près de l'interface A
ccep
teur
Don
neur
humide
sec
1012 1013 (eV-1.cm-2)
figure 2-8 : Distribution de Dit sur typeP, oxyde humide et sec [Mats'00].
Chapitre 2 : Etat de l’art du SiC
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
33
d'oxydation et du choix des faces sur chaque polytype sont les clés des
structures MOS sur SiC.
4.2.2 Autres isolants
La recherche d'isolants adaptés au SiC autres que SiO2 est en cours,
que ce soit pour des isolants de grille ou de passivation. Le tableau ci-dessous
propose un choix possible d'isolants [Zett'98].
4H/6H 3C SiO2 AlN Al2O3 Si3N4 Ta2O5 TiO2
Ec
[MV.cm-1]
2,2/2,5 2,0 10-13 6-15 5 5-10 3,5 1
εr 10 9,7 3,9 8,5 10 7,5 22-27 15-40
EG [eV] 3,2/3,0 2,3 9,0 6,2 7-8 5 4,4 3,2
Outre le SiO2, l'AlN présente des caractéristiques intéressantes avec un
champ de claquage de 6-15 MV.cm-1 et surtout une permittivité diélectrique du
même ordre que celle du SiC. Dans le silicium, le champ de claquage est
d'environ 0,2 MV.cm-1, le SiO2 est soumis au maximum à ~0,2¥12/4=0,6
MV.cm-1 avec la loi de passage à l'interface ε1E1=ε2E2 (E=composante du
champ électrique perpendiculaire à l'interface des matériaux 1 et 2). Le champ
de claquage du SiC est d'environ 2 MV.cm-1, soit un champ électrique dans
l'oxyde d'environ 5 MV.cm-1 créant ainsi un stress important des oxydes de
grille des MOSFET de puissance. L'AlN semble ainsi bien placé (ε1=8,5) pour
se substituer à SiO2 [Zett'98] [Leli'00], et présente également un faible
désaccord de maille (1 %) avec le SiC.
Des essais d'oxydes de grille de type ONO (SiO2/NSi/SiO2) [Lipk'00]
se sont montrés concluants en terme de longévité (104 s à 4 MV.cm-1 / 350 °C,
10 fois supérieurs à celle d'un oxyde thermique).
Chapitre 2 : Etat de l’art du SiC
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34
4.3 Métallisation et contacts
4.3.1 Contacts ohmiques
De nombreux métaux ont été essayés pour obtenir de bons contacts
ohmiques sur SiC (nickel, aluminium, titane, tungstène, platine, rhénium, or,
cuivre, palladium, niobium, molybdène, tantale). Les plus utilisés sont le nickel
et le tungstène sur du SiC de type N, l'aluminium et le titane sur type P. Les
résistances spécifiques de contact obtenues sont d'environ 10-6-10-5 Ω.cm2 avec
le nickel [Crof'95] et le tungstène [Baud'95] sur 6H-SiC de type N dopé à 1019
cm-3. Pour le type P, on obtient 10-5-10-4 Ω.cm2 avec l'aluminium ou le titane
[Luo'00] [Crof'97] sur 6H- ou 4H-SiC dopé à 1019 cm-3. La température de
recuit du contact est d'environ 1000 °C pendant 1 à 2 mn.
4.3.2 Contacts Schottky
La réalisation de contacts Schottky sur SiC requiert les mêmes métaux
que pour le contact ohmique, la seule différence est le niveau de dopage requis,
beaucoup plus bas (<1017 cm-3). Le nickel et le titane [Itoh'97] semblent adaptés
à la réalisation de contact Schottky sur type N, leurs hauteurs de barrière par
rapport au 4H-SiC sont respectivement 1,6 eV et 1 eV et permettent de bonnes
caractéristiques électriques du contact redresseur.
4.4 GravureLa gravure du SiC est actuellement indispensable pour la réalisation de
MESFET, de Thyristor ou de MOSFET "en tranchée". Elle fut étudiée au
Cegely (et au Leti) par D. Planson, puis F. Lanois [Plan'94] [Lano'97]. La
gravure du SiC est généralement faite par réaction du SiC avec un plasma.
Cette réaction est à la fois physique et chimique : un gaz d'une espèce choisie
est excité jusqu'à formation d'un plasma (ensemble de particules chargées), une
polarisation adéquate permet d'accélérer les particules chargées vers la cible. Il
Chapitre 2 : Etat de l’art du SiC
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
35
y a deux actions possibles : soit arrachage physique de particules de la cible dû
à des chocs avec des ions accélérés du plasma, soit réaction chimique entre les
espèces du gaz et le matériau à attaquer qui est l'effet utilisé pour la gravure du
SiC. Dans le cas du SiC, le gaz utilisé pour formé le plasma est composé de SF6
et d'O2 (SF6 réagit avec Si, et O2 réagit avec C) [Plan'94] [Lano'97] (ou NF3,
CHF3 [Sher'00]). La vitesse de gravure obtenue dans un réacteur de type RIE
('Reactive Ion Etching') est d'environ 100 nm/mn. La gravure localisée
nécessite un masquage des zones à épargner à l'aide d'un matériau dont la
sélectivité (VgravureSiC/Vgravuremasque) doit être fonction de la gravure désirée
(profondeur, pente) [Lano'97] [Sher'00].
5 Composants de puissance réalisésLa qualité du matériau s'améliorant et le diamètre des plaquettes
vendues augmentant, le nombre de composants de puissance réalisés sur
carbure de silicium par diverses équipes augmente ainsi que la diversité des
composants. On note ainsi dans la littérature des caractérisations de diodes pn,
Schottky, JBS (hybride pn/Schottky) et Zener, de MOSFETs de puissance, de
MESFETs, de Thyristors, et d'IGBTs. L'arrivée sur le marché (Avril 2001) de
diodes Schottky SiC (300 V / 10 A et 600 V / 4-6 A), par la société Infineon,
annonce un essor industriel important de la filière SiC.
5.1 Potentialités du SiCEn quoi le SiC est-il intéressant par rapport au silicium ? En effet, on
peut se demander comment un matériau délicat à maîtriser, tant au niveau de sa
synthèse que lors de son utilisation pour la fabrication de composants, peut
obtenir une maturité suffisante pour inquiéter la filière silicium.
Le tableau suivant reporte les propriétés électriques principales de
quelques matériaux semi-conducteurs à 300 K et pour un dopage de 1015-1016
cm-3.
Chapitre 2 : Etat de l’art du SiC
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36
Matériaux Eg
[eV]
ni
[cm-3]
εr µn
[cm2.V-1.s-1]
EC
[MV/cm]
νsat
[107 cm.s-1]
λ
[W.cm-1.K-1]
Gap
Direct
Indirect
Si 1,1 1,5¥1010 11,8 1350 0,2 1,0 1,5 I
Ge 0,66 2,4¥1013 16,0 3900 0,1 0,5 0,6 I
GaAs 1,4 1,8¥106 12,8 8500 0,4 2,0 0,5 D
GaP 2,3 7,7¥10-1 11,1 350 1,3 1,4 0,8 I
InP 1,86 ~103 9,6 3000 1,0 2,5 - D
3C-GaN 3,27 8¥10-9 9,9 1000 1 2,5 1,3 D
2H-GaN 3,39 1,9¥10-10 9,0 900 3,3 2,5 1,3 D
3C-SiC 2,2 6,9 9,6 900 1,2 2,0 4,5 I
4H-SiC 3,26 8,2¥10-9 10 600 (c)
750 (c)
2,0 2,0 4,5 I
6H-SiC 3,0 2,3¥10-6 9,7 370 (c)
50 (c)
2,4 2,0 4,5 I
Diamant 5,45 1,6¥10-27 5,5 1900 5,6 2,7 20 I
BN 6,0 1,5¥10-31 7,1 5 10 1,0 13 I
AlN 6,1 ~10-31 8,7 1100 11,7 1,8 2,5 D
Pour des applications de puissance, les propriétés demandées sont liées
aux aspects température, tenue en tension et faible résistivité et requièrent ainsi
des matériaux à large bande interdite (>3 eV, donc faible densité de porteurs
intrinsèques à haute température), à bonne conductivité thermique, fort champ
électrique de claquage et bonne mobilité des porteurs.
Différents auteurs ont proposé des facteurs de mérite pour pouvoir
classer les matériaux suivant le type de performance souhaitée (fréquence,
température, puissance). Les quatre facteurs les plus utilisés en électronique de
puissance sont regroupés dans le tableau ci-dessous.
Chapitre 2 : Etat de l’art du SiC
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37
Facteurs de Mérite Aptitudes Applications Réf.
2
2C satEJFM υπ
=
Johnson Factor of Merit Haute fréquence
Puissance
Interrupteur
moyenne puissance
[John'63]
4sat
r
cKFM υλπε
=Keyes Factor of Merit Thermique
Haute fréquence
Circuits intégrés [Keye'72]
3r GBFM µEε= Baliga Factor of Merit Minimisation des
pertes en conduction
[Bali'82]
2CBHFFM µE= Baliga High Frequencies
Factor of Merit
Minimisation des
pertes en commutation
Interrupteur de
puissance haute
tension (FETs de
puissance)
[Bali'89]
La figure 2-9 propose une représentation permettant de situer différents
matériaux selon les facteurs de mérites JFM, KFM, BFM et BHFFM
relativement au Silicium.
100
101
102
103
104
104
10-1
100
101
103
102
101
100
10-1
BNAlN
Dia
man
t
SiC
-6H
SiC
-4H
SiC
-3C
GaN
-2H
GaPG
aN-3
C
GaA
sSi G
e
KFM
BFM
BH
FFM
JFM
figure 2-9 : Valeurs de facteurs de mérites pour différents matériaux relativement auSilicium.
Le SiC (sous la forme de 4H et de 6H) devance aisément le SiC-3C, le
GaP, le GaAs, le Si et le Ge. Son concurrent direct est le GaN (2H et 3C) qui
est cependant pénalisé par sa conductivité thermique plus faible que celle du
SiC. Les meilleurs candidats sont le diamant, le nitrure de bore (BN) et le
Chapitre 2 : Etat de l’art du SiC
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38
nitrure d'aluminium (AlN) qui ont le handicap majeur d'être difficiles à
synthétiser, l'obtention de composants de puissance sur ces matériaux reste
pour l'instant de la science fiction. Le SiC est, dans l'état de l'art actuel, le
matériau le mieux placé pour l'électronique de puissance.
5.2 Diode SchottkyLa diode Schottky est un bon démonstrateur de la qualité des couches
épitaxiées en terme de tenue en tension et de résistance série spécifique. Ci-
dessous, quelques résultats montrant les performances actuelles de diodes
Schottky sur SiC (essentiellement 4H type N ; métallisation : nickel). Les
tenues en tension atteintes (~4000 V) sont sans équivalent dans la technologie
Schottky sur silicium (200 V max). Les courants de fuite et résistances série
SPE, en fonction de la tension de claquage,VBR, et limite théorique du Si, SiC-6H etSiC-4H.
102 103 10410-1
100
101
102
103
104
ΜΜΜΜ
ΜΜΜΜ
ΜΜΜΜ
ΜΜΜΜ
C
CC
SiC-4H
SiC-6H
Si
MOSFET Accu MOSFET JET IGBT 6H
ΜΜΜΜ power mosfet SiC coolmos Si
RO
N-S
PE [
mΩ ΩΩΩ
.cm
2 ]
VBR [V]
figure 2-13 : Interrupteurs unipolairesMOSFET, Accu-MOSFET, JFET en SiC ainsique des MOSFETs de puissance Si et desCoolMOSTM Si. Résistance sériespécifique, RON-SPE, en fonction de latension de claquage, VBR, et limitethéorique du Si, SiC-6H et SiC-4H.
Chapitre 2 : Etat de l’art du SiC
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48
Le principal handicap des diodes bipolaires SiC est leur chute de
tension élevée en direct par rapport aux diodes silicium (différence qui semble
s'atténuer expérimentalement avec l'augmentation du calibre tension/courant
considéré). Elles sont cependant très performantes en commutation grâce à des
durées de vie des minoritaires faibles. Des tests comparatifs de diodes pn SiC
placées dans un contexte système ont été effectués [Lend'00] [Lend'01]. Dans le
cas d'un module IGBT-Si/diode-pn-Si, le remplacement de la diode pn Si par
une diode pn SiC induit une réduction des pertes totales de 95 % (module 2500
V, test sous 150 A et 400 A, la surface de la diode SiC est de 40 mm2). La
diode SiC fut fabriquée sur une plaquette où une cartographie des micropores
'tueurs de composants' [Neud'94] avait été dressée au préalable. Les diodes
Schottky SiC sont plus à même de concurrencer les diodes pn silicium pour des
tensions inférieures à 1000 V. Le remplacement d'une diode Si par une diode
Schottky SiC-4H dans un module IGBT-Si/Diode-pn-Si (module 600 V / 50 A,
la surface de la diode SiC est de 16 mm2) a conduit à une réduction de 70 % des
pertes du module. Pour ce qui est des interrupteurs, les thyristors présentent des
temps de commutation faibles et ont été évalués au sein d'un système [Sesh'00]
composé entièrement de composants SiC (4 GTO, 36 JFET et 6 diodes, pour un
circuit PWM dissipant 0,45 W à 100 kHz à l'ouverture). Les composants
MOSFETs en SiC sont directement concurrencés par les MOSFETs de
puissance silicium (figure 2-13) [Sagg'00] et surtout par la dernière génération
à 'super-jonction' dit "CoolMOSTM" [Lore'99] dont les évolutions [Mina'00]
[Nitt'00] permettent, non pas, de repousser les limites du silicium, mais de
l'utiliser au mieux. L'évaluation des performances de tels composants en SiC a
été simulée [Adac'01] et annonce peut-être l'arrivée des MOSFETs SiC
exceptionnels. En attendant, la tendance est plutôt à l'Accu-MOSFET ou au
JFET actuellement très performants. L'association optimale
interrupteur/redresseur actuellement disponible sur le marché est un CoolMOS-
Si avec une diode Schottky SiC-4H (Infineon, avril 2001).
Chapitre 2 : Etat de l’art du SiC
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
49
6 Paramètres électriques du SiC et modèles de simulations
Le logiciel de simulation utilisé est un produit commercial développé
et vendu par ISE TCAD [Ise'98]. Il comporte un ensemble d'outils permettant
de faire de la simulation 2D et 3D par éléments finis de composants à base de
semi-conducteurs. Une structure est décrite en terme de régions (oxyde, métal,
semi-conducteur) et de profils de dopage. Les équations de la physique des
semi-conducteur sont résolues (équation de continuité et de Poisson) à chaque
nœud du maillage. Il est possible de prédire le comportement d'un composant
par simulations électriques et électrothermiques. La crédibilité des résultats de
simulation repose en grande partie sur la validité des modèles physiques utilisés
(valeur de la bande interdite, mobilité, ionisation par impact, etc). Nous
proposons dans ce paragraphe d'exposer les principaux modèles physiques
utilisés et leurs paramètres extraits de la littérature pour les polytypes 4H et 6H.
6.1 Modèles de bande interdite et masse effectiveLe modèle de variation de la bande interdite, EG, en fonction de la
température est décrit par l'équation suivante :
( ) ( )0G GE T E Tα= − (1)
avec :polytypes Eg(0) [eV] α [eV.K-1]
4H 3,26 -3,3¥10-4
6H 3,02 -3,3¥10-4
[Harr'95]
200 400 600 800 1000 12002,6
2,7
2,8
2,9
3,0
3,1
3,2
3,3
SiC-6H
SiC-4H
E G [
eV]
T [K]
figure 2-14 : EG [eV] en fonction de T [K]
Chapitre 2 : Etat de l’art du SiC
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
50
Les structures de bande diffèrent suivant le polytype. Dans le polytype
6H, le minimum de la bande de conduction est situé à ~70 % de M-L de la zone
de Brillouin [Lamb'97] [Chen'97], ce qui porte à 6 le nombre de vallées de
bande de conduction. Pour le 4H, le minimum est localisé en M, il y a donc 3
vallées de bande de conduction.
La détermination des masses effectives longitudinales et transversales
est théoriquement [Pers'97] [Lamb'97] et expérimentalement [Son'00] [Son'94]
[Chen'97] capable de donner des résultats reproductibles pour le 4H et le 6H. Il
reste cependant à compléter des mesures de masses effectives des trous dans le
6H [Meye'00]. La masse effective est de plus anisotropique dans le 4H
[Chen'97] et théoriquement dans le 6H. Le tableau suivant donne les valeurs de
masses effectives utilisées en simulation ainsi que les densités d'états dans la
bande de conduction et bande de valence :
6H 4H
mt ml mt mlMasses effectives des électrons [¥m0]
0,42 2 0,42 0,33
( )1
2 2 3,d e t lm r m m= [¥m0]
r=6
md,e=2,33
r=3
md,e=0,80
md,h [¥m0] md,h =1 md,h =1,2
32
,2
22 d e B
C
m k TN
hπ =
[cm-3]
T=300 K
9,04¥1019
T=300 K
1,84¥1019
32
,2
22 d h B
V
m k TN
hπ =
[cm-3]
T=300 K
2,54¥1019
T=300 K
3,34¥1019
k=1,380658¥10-23 J.K-1
q=1,6¥10-19 C
kB=k/q=8,63¥10-3 eV.K-1
h=6,626¥10-34 J.s
m0=9,1¥10-31 kg
3 32 2, ,19
,0
2,5409 10300
d e hC V
m TNm
= × [cm-3] (2)
Chapitre 2 : Etat de l’art du SiC
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
51
Faute de données suffisantes dans la littérature, nous ne tiendrons pas
compte des variations de la masse effective en température. La figure 2-15
montre les variations des densités d'états, NV et NC, en fonction de la
température suivant l'équation (2).
200 400 600 800 1000 12001018
1019
1020
1021
NV
NC
NC, N
V (S
iC-6
H)
[cm
-3]
T [K]200 400 600 800 1000 1200
1018
1019
1020 NV
NC
NC, N
V (SiC
-4H
) [c
m-3
]
T [K]
figure 2-15 : Variation des densités d'états, NV et NC, en fonction de la température àmasses effectives constantes.
6.2 Concentrations d'électrons et de trousLa concentration de porteurs intrinsèques d'un semi-conducteur est
donnée par :
( ) ( ) ( ) ( )exp2
Gi C V
B
E Tn T N T N T
k T
= −
(3)
La variation de la largeur de la bande interdite avec la température est
donnée par l'équation (1) dans le cas du SiC-6H et SiC-4H, NC,V(T) est donné
par l'équation (2).
Chapitre 2 : Etat de l’art du SiC
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52
300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 120010-8
10-6
1x10-4
10-2
100
102
104
106
108
1010
1012
1014
SiC-4H
SiC-6H
n i [
cm-3
]
T [K]
figure 2-16 : Concentration intrinsèque dans le SiC-6H et 4H en fonction de latempérature.
6.2.1 Cas du type N (dopage azote) :
L'impureté N introduit différents niveaux donneurs dans le SiC-4H et
6H (cf. §4.1.4). Pour le SiC-4H, les deux niveaux donneurs sont situés à 51
meV et 92 meV sous la bande de conduction respectivement pour le site
hexagonal et le site cubique [Götz'93] [Greu'97]. Pour le SiC-6H, le niveau
correspondant au site hexagonal est situé à 80 meV sous la bande de
conduction, les deux sites cubiques à ~140 meV.
L'intégration de plusieurs niveaux donneurs pour une impureté n'est
pas possible dans ISE. Dans le cas du SiC-4H, son pourcentage d'hexagonalité
est de 50 % (1 h, 1 k), la concentration d'électrons peut être décrite par la
relation suivante :
0,5 0,5
1 exp 1 exp
D Dcomp
C h C kD D
C B C B
N Nn NE E E En ng g
N k T N k T
+ = + − −+ +
(4)
avec Eh=51 meV, Ek=92 meV, Facteur de dégénérescence, gD=2.
Chapitre 2 : Etat de l’art du SiC
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
53
En faisant l'approximation à un seul niveau, ED, on a donc :
1 exp
Dcomp
C DD
C B
Nn NE Eng
N k T
+ = −+
(5)
En prenant EC-ED=70 meV, on obtient une bonne approximation du
modèle à deux niveaux donneurs [Bako'97], comme le montre la figure 2-17.
La même méthode est appliquée au SiC-6H (hexagonalité de 33 %) en
définissant un niveau donneur à 120 meV sous la bande de conduction.
figure 2-17 : Concentration d'électrons, n, en fonction du dopage azote, ND, dans le casd'un modèle à deux niveaux donneurs et d'un modèle à un seul niveau donneur pour leSiC-4H et SiC-6H, avec et sans prise en compte d'une compensation Ncomp=1015 cm-3 (à300 K).
6.2.2 Cas du type P (dopage aluminium)
Une bonne approximation de ses niveaux accepteurs dans le SiC-4H et
6H est de respectivement 190 meV et 240 meV (cf.§4.1.4).
L'expression analytique donnant la concentration de trous s'écrit alors :
Chapitre 2 : Etat de l’art du SiC
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
54
1 exp
Acomp
V AA
V B
Np NE Epg
N k T
+ = −+
(6)
avec gA=4, EV-EA=190 meV, pour le 4H,et EV-EA=240 meV, pour le
6H.
La concentration de trous calculée à partir de l'équation (6) est
proposée sur la figure 2-18 en fonction de la concentration d'atomes accepteurs
dans le cas du SiC-4H et SiC-6H.
1014 1015 1016 1017 1018 1019 10201014
1015
1016
1017
1018
p
[cm
-3]
NA [cm-3]
4H (190 meV) 4H (190 meV) Ncomp=1015 cm-3
6H (240 meV) 6H (240 meV) Ncomp=1015 cm-3
figure 2-18 : Concentration de trous, p, en fonction du dopage aluminium, NA, pour leSiC-4H et SiC-6H, avec et sans prise en compte d'une compensation, Ncomp=1015 cm-3 (à300 K).
6.3 MobilitéLe modèle de mobilité que nous utilisons en simulation est une
formulation analytique proposée par Caughey et Thomas [Caug'67] adaptée au
carbure de silicium. Elle permet de décrire la variation de la mobilité en
fonction de la concentration totale de dopants ionisés et de la température par la
relation :
Chapitre 2 : Etat de l’art du SiC
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55
max min 2
, min1300
1n p
i
r
Tµ µµ µ
NC
ξ
α
− − = +
+
(7)
avec Ni=NA-+ND
+, concentration totale de dopants ionisés.
Les paramètres de l'équation (7) ont été ajustés par rapport à quelques
valeurs de mobilité présentes dans la littérature [Sier'99] [Negl'94] [Scha'94]
[Taka'00] [Kimo'97] [Matu'94]. La figure 2-19 montre les courbes ajustées pour
la mobilité des électrons et des trous à 300 K.
1013 1014 1015 1016 1017 1018 1019 10200
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
µ n dan
s 4H
[cm
2 /Vs]
Concentration n [cm-3]
[Sier'99] [Scha'94] [Kimo'97] [Taka'00]
(a)
1013 1014 1015 1016 1017 1018 1019 10200
100
200
300
400
500
µ n dan
s 6H
[cm
2 /Vs]
Concentration n [cm-3]
[Lark'94] [Scha'94] [Kimo'97]
(b)
figure 2-19 : Variation de la mobilité desélectrons dans le SiC-4H (a), le SiC-6H(b) et de la mobilité des trous (c), enfonction de la concentration de porteursn ou p à 300 K. On considère uneionisation complète des dopants, soitn=ND et p=NA. Sur le graphique (a) sontreportées deux courbes "enveloppe"entourant la courbe retenue.
Nous choisirons, pour les simulations ISE, les coefficients extraits du
travail de H. E. Nilsson [Bell'00], ils se recoupent avec les résultats
expérimentaux de R. Raghunathan [Ragh'99] et de A. O. Konstantinov
[Kons'97]. Nous prendrons an=ap et bn=bp et des valeurs communes au SiC-4H
et 6H, car l'anisotropie concerne également les coefficient d'ionisation et ils
apparaissent plus élevés et similaires pour les deux types de porteurs suivant
une direction perpendiculaire à l'axe c. Ce choix constitue ainsi un compromis
Chapitre 2 : Etat de l’art du SiC
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
61
pour les simulations 2D vis-à-vis de l'impossibilité de la description
anisotropique des coefficients d'ionisation. Une expression du champ de
claquage, EC [V.cm-1], en fonction du dopage est proposée par R. Raghunathan
[Ragh'99] et par A. O. Konstantinov [Kons'98] :
[Ragh'99] : ( )1
4 76H 1,52 10CE N= × et ( )1
4 74H 1,64 10CE N= ×
[Kons'98] : ( )6
16
2, 49 104H1 0,25log
10
CEN
×= −
1014 1015 1016
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
Ec=1,64 104*(N)1/7
12
35
30
25
20
15
10
5
13
30-50
27
91010
35
29
50
31
1212
50
40
10
35 26
12
39
26
14
5,6
45
2427
15 13
2743
1213
1010
92
22
42V BR [
V]
Dopage [cm-3]
(a)
1014 1015 1016
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000Ec=2,49 106/(1 - 0,25*log(N/1016))
12
40
35
30
25
20
15
10
513
30-50
27
91010
35
29
50
31
1212
50
40
10
35 26
12
39
26
14
5,6
45
2427
15 13
2743
1213
1010
92
22
42V BR [
V]
Dopage [cm-3]
(b)
figure 2-21 : Tension de claquage VBR [V] en fonction du dopage [cm-3] et de l'épaisseur[µm] de la couche tenant la tension pour le SiC-4H. (a) expression de EC(N) donnée par[Ragh'99]. (b) expression de EC(N) donnée par [Kons'98]. Les réseaux de courbes sonttracés pour une épaisseur de couche variable indicée à gauche en µm. Figurentégalement les résultats de tenue en tension de la littérature pour les redresseurs avecune annotation spécifiant l'épaisseur de la couche utilisée. L'utilisation a priori deséquations Ec(N) conduit à une fausse diminution de la tension de claquage avec ladiminution du dopage (courbes en pointillés) pour une épaisseur de couche donnée,une correction est alors nécessaire proposant une valeur constante de Vbr (traitscontinus) égale à la valeur maximale de Vbr(N) pour une épaisseur de couche donnée.
A la vue des courbes de la figure 2-21, l'efficacité des protections
périphériques utilisées est d'au mieux 70 % selon R. Raghunathan [Ragh'99] et
de 80-90 % selon A. O. Konstantinov [Kons'98].
Chapitre 2 : Etat de l’art du SiC
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
62
6.6 Conductivité thermique, λλλλLa capacité thermique volumique du SiC est d'environ 3 J.cm-3.K-1 à
500 K, elle varie suivant la loi de Debye (θD=1200 K) [Slac'64]. Elle est
considérée comme constante dans les simulations électrothermiques avec ISE.
La conductivité thermique du SiC décroît avec la température et a été
mesurée par [Slac'64] et [Müll'98] pour deux types de matériaux différents. La
pureté du matériau se traduit en terme de gain de conductivité thermique, c'est
d'ailleurs une méthode utilisée par CREE pour estimer rapidement la qualité de
ses substrats. Le modèle de variation de la conductivité thermique en fonction
de la température intégré dans ISE est :
( ) 2
1Ta bT cT
λ =+ +
(13)
La figure 2-22 propose les variations de λ en fonction de T en
superposant les mesures [Slac'64] [Mull'98] et le modèle utilisé dans ISE avec
figure 2-22 : Variation de la conductivité thermique λλλλ en fonction de la température.Comportement directement relié à la pureté du matériau.
Chapitre 3 : Conception d’un limiteur de courant en SiC-4H
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
63
Chapitre 3
CONCEPTION D’UN LIMITEUR DE
COURANT EN SIC-4H
Nous proposons dans ce chapitre une étude d'un limiteur de courant en
SiC-4H. La démarche utilisée s'inscrit dans une logique de conception autour
d'une architecture possible pour ce composant. La structure proposée, dite
structure "planar", sera décrite ainsi que son principe de fonctionnement. La
simulation par éléments finis avec ISETM TCAD donnera une indication sur
l'influence des paramètres de conception sur le comportement électrique du
composant que ce soit en régime statique (sans température) où en régime
dynamique avec prise en compte de l'auto-échauffement (simulation
électrothermique). L'éventualité d'une commande du dispositif sera discutée.
Une étude de la tenue en tension avec et sans la périphérie envisagée terminera
la conception du composant. Une réflexion technologique conduira la mise en
place d'un processus de fabrication ainsi que les compromis adoptés.
Chapitre 3 : Conception d’un limiteur de courant en SiC-4H
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
64
1 Présentation de la structure dite "planar"
1.1 Description
SOURCE
DRAIN
eox
XJP+
XJCANAL
LCANAL LINTER
LCsourceLCP
1/2 Cellule
N++NCANAL
NEPI
NWAFER
P+P++
SiO2
WN EPI
WN WAFER
N++
figure 3-1 : Description des variables utilisées pour la conception du limiteur "planar"
L'architecture du limiteur étudiée reprend une structure classique de
Mosfet "vertical" de puissance, c'est-à-dire, une région de drain comprenant
une zone faiblement dopée N chargée de tenir la tension ainsi qu'une couche
N++ garantissant une ohmicité du contact de drain. Dans la structure Mosfet, la
partie active comprend une zone P+ débordant sous l'oxyde de grille et dans
laquelle sera créé le canal d'inversion autorisant le passage d'un courant du
drain vers la source. La source contacte la couche N++ ainsi qu'une couche P++
(reliée à la couche P+) et réalise de ce fait un court-circuit "bulk"-source. Dans
notre structure, une couche N préformée, dite "NCANAL", crée un chemin de
conduction possible entre la source et le drain. Le contact de source proposé
court-circuite la région P+ (à travers P++), la région N++ (source) et la grille. Le
canal est défini, comme dans le MOSFET de puissance, par la région N située
Chapitre 3 : Conception d’un limiteur de courant en SiC-4H
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
65
entre le P+ et l'oxyde de grille. Le dispositif résultant est un composant à deux
électrodes où la conduction est assurée par les porteurs majoritaires : les
électrons. On peut le classer dans la 'famille' des Accu-MOSFETs normalement
passants.
La figure 3-1 expose les différentes variables de conception définissant
complètement le composant. Le tableau suivant donne le lexique employé ainsi
qu'une définition des différents paramètres relatifs à une ½ cellule:
Couche d'oxyde (SiO2) :
eox : épaisseur de l'oxyde
Région NCANAL :
LCANAL : longueur du canal
NCANAL : dopage maximal du canal
XJCANAL : profondeur du canal
Région N++ :
LCsource : largeur du
contact de source sur N++
N++ : niveau de dopage de
surface
Région P++ :
LCP : largeur de
la couche P+
P++ : niveau de
dopage de surface
Région P+ :
LCsource+LCP+LCANAL : largeur totale de la couche P+
XJP+ : profondeur de la jonction P+/NEPI
P+ : niveau de dopage maximal
LINTER : ½ largeur intercellule
Epitaxie N :
NEPI : niveau de dopage de la couche épitaxiée
WNEPI : épaisseur de la couche épitaxiée
Substrat N+ :
NWAFER : niveau de dopage du substrat N+
WNWAFER : épaisseur du substrat N+
Chapitre 3 : Conception d’un limiteur de courant en SiC-4H
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
66
1.2 Principe de fonctionnement
N++ N++NCANAL
NEPI
NWAFER
P+
P++
SOURCE
DRAIN+
SiO2
P+P+
ZCEZCE
P+co
ura n
t
figure 3-2 : Schéma de la structure dite "planar". Fonctionnement du composant sousVDS>0 V.
Une polarisation drain-source positive entraîne l’apparition d’un
courant de majoritaires (électrons) du drain vers la source (figure 3-2). Les
électrons traversent successivement les couches N++, NCANAL, NEPI et NWAFER.
La polarisation utilisée provoque l’apparition d’une zone de charge d’espace
(ZCE) fixe due à la jonction P+/NEPI en inverse. Cette ZCE s’étend
principalement dans la couche épitaxiée NEPI et également dans la couche
NCANAL (jonction NCANAL/P+ faiblement polarisée en inverse). Le courant
augmente linéairement avec la tension jusqu’au pincement du canal dû à
l’extension de la ZCE située en fin de canal, coté drain. La ZCE en fin de canal
interdit alors toute augmentation d’intensité du courant le traversant. Le courant
est constant quelle que soit la tension VDS appliquée. La figure 3-2 illustre
symboliquement le passage du courant d'électrons.
L'utilisation d'un logiciel de simulation "fine" pour la conception et
l'optimisation de composants à semi-conducteur est indispensable pour tenir
compte de l'aspect 2D (voire 3D) et obtenir des informations concernant les
Chapitre 3 : Conception d’un limiteur de courant en SiC-4H
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
67
grandeurs physiques telles que le champ électrique ou la densité de courant aux
points 'sensibles' de la structure. Les simulations suivantes sont issues de
structures "planar" modélisées par ISE.
2 Simulations électriques statiques
2.1 Structure simulée
La figure 3-3 présente la structure utilisée pour les simulations de type
éléments finis. La réduction du dispositif à "sa maille élémentaire" (en terme de
symétrie de potentiel) permet d'optimiser le rapport qualité de la simulation
(directement lié au nombre de nœud) et temps de calcul.
N++ Ncanal
Népi
Nwafer
Pcaisson
P++
SOURCE
DRAIN
SiO2
figure 3-3 : Schéma en coupe de la structure utilisée en simulation.
Chapitre 3 : Conception d’un limiteur de courant en SiC-4H
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
68
Nous étudierons l'influence des principaux paramètres de la partie
active tels que :
• La longueur du canal : LCANAL
• Le niveau de dopage du canal : NCANAL
• Son épaisseur : XJCANAL
• L'espacement entre les caissons P+ : LINTER
• L'épaisseur d'oxyde : eOX
Pour garder des temps de calcul raisonnables, les structures simulées
pour les études suivantes auront volontairement leur couche NWAFER réduite
pour optimiser la répartition des nœuds de maillage dans la structure. Le
substrat est réduit à une épaisseur de 2 µm et un niveau de dopage N de 1019
cm-3, les résistances spécifiques obtenues en simulation sont donc
représentatives de la partie active du composant. Lors de simulations plus
complètes les spécificités de la plaquette seront intégrées dans les calculs. Les
simulations électrothermiques prendront en compte toute l'épaisseur de SiC
réelle.
Dans chaque cas d'étude, nous évaluerons l'impact du paramètre
concerné sur le champ électrique, la densité de courant à travers l'analyse de
ces grandeurs aux niveaux des points sensibles de la structure. La figure 3-4
répertorie les principales coupes utilisées en les situant au sein de la structure :
1. Coupe transversale au milieu du canal
2. Coupe transversale en fin de canal
3. Coupe transversale au centre de l'intercellule
4. Coupe longitudinale dans le canal
5. Coupe longitudinale dans l'intercellule
Chapitre 3 : Conception d’un limiteur de courant en SiC-4H
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69
figure 3-4 : Représentation de la structure étudiée ainsi que les axes de coupes utiliséspour l'extraction des grandeurs électriques (J,E).
2.2 Influence du dopage du canal
L'étude suivante a pour but d'estimer l'influence du dopage du canal,
NCANAL, sur la caractéristique électrique I(V) statique du composant. Un
contrôle des grandeurs physiques telles que le champ électrique et la densité de
courant dans la structure, permettra de définir un domaine de valeurs possibles
pour le niveau de dopage choisi dans le canal.
Le dopage du canal varie entre 2×1016 cm-3 et 3,2×1017 cm-3.
L’ionisation des atomes dopants sera supposée complète dans un premier
temps, puis une évaluation dans le cas de donneurs azote (EC-ED=70 meV)
complète les simulations. Les coupes représentant le champ électrique et la
densité de courant dans la structure sont issues de simulations dans lesquelles
l'ionisation des dopants est complète.
Chapitre 3 : Conception d’un limiteur de courant en SiC-4H
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
70
0 100 200 300 400 500 6000
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
8 1016 cm-3
1,2 1017 cm-3
1,6 1017 cm-3
2 1017 cm-3
2,4 1017 cm-3
2,8 1017 cm-3
3,2 1017 cm-3
J DS [
A/cm
2 ]
VDS [V]
figure 3-5 : Réseau de caractéristiques JDS
(densité de courant coté drain) en fonction deVDS pour différentes valeurs du dopage ducanal, NCANAL.(ionisation complète des dopants)
figure 3-6 : (a) Densité de courant de saturation,JDSSAT, (b) résistance spécifique, RON-SPE, (c)tension de saturation, VDSSAT, en fonction dudopage de canal, NCANAL, avec et sans prise encompte du niveau donneur de l'azote (70 meV).
la criticité du contrôle du dopage. La prise en compte d'un niveau donneur de
l'azote de 70 meV influe directement sur le niveau du courant de saturation par
diminution du nombre d'électrons, n, transportant le courant (passage de 3500
A.cm-2 à 2500 A.cm-2). Cet effet est moindre sur la résistance spécifique et la
tension de saturation (figure 3-6 (b), (c)).
Sur la figure 3-6 (b) est reportée la variation de la résistance spécifique
du composant en fonction du dopage du canal. Le comportement semble
hyperbolique avec une très forte augmentation de la résistance série entre
5¥1016 cm-3 et 1017 cm-3. En dehors de cette gamme, la résistance série
spécifique décroît de 15 mΩ.cm² à 6 mΩ.cm² avec l’augmentation du dopage
du canal.
La tension de saturation extraite, VDSSAT (figure 3-6 (c)), est calculée à
partir des deux grandeurs précédentes (VDSSAT=JDSSAT×RON). C'est uniquement
une commodité que d'utiliser la relation VDSSAT=JDSSAT×RON, le pincement dû
canal étant du à la tension et non pas au courant.
Une zone intéressante se situe entre 1017 cm-3 et 3×1017 cm-3 où le
courant de saturation varie entre 250 A.cm-2 et 3000 A.cm-2, la résistance série
spécifique entre 13 mΩ.cm² et 6 mΩ.cm² et la tension de saturation entre 4 V et
17 V. Le niveau de courant de saturation, IDSSAT, et le RON du limiteur de
Chapitre 3 : Conception d’un limiteur de courant en SiC-4H
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
72
courant permettent de définir entièrement sa caractéristique directe. L'objectif
est de minimiser la résistance série et d'augmenter le niveau de courant de
saturation. La figure 3-7 propose une illustration de la progression de la
répartition du potentiel dans la structure suivant la caractéristique J(V)
correspondant à NCANAL=2¥1017 cm-3, la densité de courant est ajoutée sans
indication de sa valeur sur les mini-cartographies.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500
200
400
600
800
1000
1200
1400
111098765
4
3
2
1
J DS
[A/c
m2 ]
VDS [V]
figure 3-7 : JDS(VDS) pour NCANAL=2¥1017
cm-3 entre 0 V et 50 V. Représentationinterne des équipotentielles en fonctionde VDS à divers états de polarisation(2,5 V à 50 V, soit de l'image 1 à 11).
3 4 5 6
2 7
1 8
11 10 9
Chapitre 3 : Conception d’un limiteur de courant en SiC-4H
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
73
Le potentiel dans la structure se distribue inégalement (figure 3-7) : à
la saturation, le potentiel en fin de canal devient constant et la tension
augmente régulièrement dans le reste de la structure. On devine alors que les
zones critiques seront l'extrémité de la région P+ et l'oxyde de grille pour le
champ électrique, et la fin du canal pour la densité de courant.
Un examen du champ électrique dans le composant permettra un
première estimation des valeurs possibles du dopage du canal.
2.2.1 Champ électrique
Des coupes à l’intérieur du dispositif permettent de mieux appréhender
le fonctionnement du composant. La figure 3-8 montre les distributions du
champ électrique à travers une coupe 'verticale' réalisée au milieu du canal
(coupe 1 de la figure 3-4). Les deux valeurs extrêmes de la gamme de dopage
étudiée sont pointées à proximité de leur profil de champ électrique respectif.
L'état de polarisation choisi pour ces coupes est VDS=600 V. Coté NCANAL/P+, la
zone de charge d'espace s'étalant dans le canal est directement contrôlée par la
distribution du champ électrique : pour 2¥1016 cm-3, la zone de charge s'étale
dans tout le canal et ce même à VDS=0 V, le cas relatif à 3,2¥1017 cm-3 autorise
le passage du courant dans le canal, dans la zone non désertée. La coupe figure
3-8 montre le module du champ électrique en fonction de la profondeur, il faut
ainsi discerner la composante verticale (suivant x) et la composante horizontale
(suivant y), la première est responsable de la désertion, la seconde est le champ
de conduction (dans le canal). La courbure des équipotentielles dans la
structure (figure 3-7) introduit une légère désertion sous l'oxyde diminuant
ainsi la zone disponible pour le passage du courant. Cette désertion parasite est
d'autant plus forte que la 'rentrée' des équipotentielles dans le canal est
importante, c'est à dire que le dopage du canal est important.
Chapitre 3 : Conception d’un limiteur de courant en SiC-4H
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74
-0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,50,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7 3,2 1017 cm-3
2 1016 cm-3
P+NCANAL
SiC- 4HSiO2
Cham
p él
ectri
que
[MV/
cm]
Profondeur [µm]
1015
1016
1017
1018
Conc
entra
tion
[cm
-3]
figure 3-8 : Coupe verticale au milieu du canal (coupe 1), champ électrique et profil dedopage suivant le dopage du canal (NCANAL varie de 2¥1016 à 3,2¥1017 cm-3) à VDS=600 V.
La figure 3-9 et la figure 3-10 regroupent les profils de champ
électrique et de dopage obtenus selon une coupe verticale en fin de canal
(coupe 2) à VDS=600 V. La figure 3-9 permet d'estimer de 'pic' de champ
électrique en fin de caisson P+, il est d'environ 2,5 MV.cm-1 à VDS=600 V. La
valeur même du champ n'est pas à redouter en tant que telle, la vérification d'un
amorçage ou non d'un mécanisme de génération de porteurs par avalanche sera
évaluée ultérieurement par l'examen de l'intégrale d'ionisation. Un
grossissement présenté figure 3-10 sur les 0,5 premiers µm de la figure 3-9
apporte une meilleure compréhension du mécanisme du pincement du canal. La
désertion (VDS=600 V) ne parvient pas à stopper le courant établi mais interdit
seulement son augmentation. Le courant traverse la ZCE grâce au champ de
conduction qui, dans le cas 3,2¥1017 cm-3, est de 0,5 MV.cm-1 en fin de canal.
Le pincement s'effectue également par l'intermédiaire de la fin de la ZCE
intercellulaire (figure 3-14).
Chapitre 3 : Conception d’un limiteur de courant en SiC-4H
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75
0 1 2 3 4 5 60,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
Cham
p él
ectri
que
[MV/
cm]
Profondeur [µm]
1015
1016
1017
1018
1019
2 10
16 c
m-3
3,2
1017
cm
-3
N++
2 1016 cm-3
3,2 1017 cm-3
NEPI
P+
Conc
entra
tion
[cm
-3]
figure 3-9 : Coupe verticale en fin de canal (coupe 2), champ électrique et profil dedopage suivant le dopage du canal (NCANAL varie de 2¥1016 à 3,2¥1017 cm-3) à VDS=600 V.
-0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,50,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2 1016 cm-3
3,2 1017 cm-3
Cham
p él
ectri
que
[MV/
cm]
Profondeur [µm]
1015
1016
1017
1018
P+NCANAL
SiC- 4HSiO2Co
ncen
tratio
n [c
m-3
]
figure 3-10 : Coupe verticale en fin de canal (coupe 2, zoom sur 0,5 µm champ électriqueet profil de dopage suivant le dopage du canal (NCANAL varie de 2¥1016 à 3,2¥1017 cm-3) àVDS=600 V.
Une coupe latérale (coupe 4) dans le canal reportée sur la figure 3-11
montre les différences de répartition du champ électrique suivant que le canal
est normalement passant ou bloqué. Dans le cas normalement bloqué, le canal
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76
est complètement déserté, le courant ne peut passer. On devine sur la figure
3-11 la brusque augmentation du champ électrique en fin de canal, déjà
perceptible sur la figure 3-7.
10 11 12 13 140,0
0,1
0,2
0,3
0,4
NCANAL
2 1016 cm-3
3,2 1017 cm-3
Cham
p él
ectri
que
[MV/
cm]
Distance [µm]
1016
1017
1018
Conc
entra
tion
[cm
-3]
figure 3-11 : Coupe latérale dans le canal (coupe 4, à 0,1 µm), champ électrique et profilde dopage suivant le dopage du canal (NCANAL varie de 2¥1016 à 3,2¥1017 cm-3) à VDS=600V.
Les figure 3-12 et figure 3-13 proposent une observation du champ
électrique au niveau de l'interface SiO2/SiC-4H et dans la couche épitaxiée
suivant une coupe verticale au centre de l'intercellule (coupe 3). La figure 3-14
résume les champs électriques obtenus à VDS=600V dans l'oxyde et dans le SiC
extraits de la figure 3-12. Il apparaît rapidement une limitation du domaine du
possible pour le choix du niveau de dopage du canal. Des études ont montré
[Anth'99] que la contrainte exercée par un champ électrique excédant les 5 à 6
MV.cm-1 dans un oxyde de grille conduisait à une durée de vie de l'isolant de
10 ans à 25 °C, elle diminue rapidement si la température augmente [Lipk'00].
Rappelons seulement la vocation de notre dispositif : rôle de protection série,
donc pas susceptible de subir un fonctionnement de même contrainte qu'un
interrupteur de type MOSFET.
Chapitre 3 : Conception d’un limiteur de courant en SiC-4H
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77
Un compromis entre les performances électriques du composant
décrites par son RON et son courant de saturation IDSSAT et le "bien-être" de
l'oxyde conduit à un niveau de dopage, NCANAL, compris entre 1,5¥1017 cm-3 et
2,5¥1017 cm-3.
-0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,50
1
2
3
4
5
6
7
Cham
p él
ectri
que
[MV/
cm]
Profondeur [µm]
1015
1016
1017
1018
2 1016 cm-3
3,2 1017 cm-3
NCANAL
NEPI
SiC- 4HSiO2
Conc
entra
tion
[cm
-3]
figure 3-12 : Coupe verticale au centrede l’intercellule (coupe 3, zoom sousl'oxyde), champ électrique et profil dedopage suivant le dopage du canal(NCANAL varie de 2¥1016 à 3,2¥1017 cm-3)à VDS=600 V.
0 1 2 3 4 5 60,6
0,8
1,0
1,2
1,4
2 1016 cm-3
3,2 1017 cm-3
Cham
p él
ectri
que
[MV/
cm]
Profondeur [µm]
1015
1016
1017
1018
1019
Conc
entra
tion
[cm
-3]
figure 3-13 : Coupe verticale au centre del’intercellule (coupe 3), champ électriqueet profil de dopage suivant le dopage ducanal (NCANAL varie de 2¥1016 à 3,2¥1017
figure 3-14 : Champ électrique dans l'oxyde (SiO2) et le SiC-4H en fonction du dopage ducanal, au milieu de l'intercellule pour VDS=600 V.
Chapitre 3 : Conception d’un limiteur de courant en SiC-4H
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78
Les profils de champ électrique relevés sur la figure 3-13 sont
différents dans un composant normalement bloqué (NCANAL=2¥1016 cm-3) et
normalement passant (NCANAL=3¥1017 cm-3). La présence ou non de courant
passant dans la couche faiblement dopée, NEPI, modifie la répartition du champ
électrique suivant la loi de Poisson ( )D
SiC
dE n Nqdx ε
+−= . Si aucune charge n'est
apportée par le canal, la ZCE s'étale suivant D
SiC
dE Nqdx ε
+−= ; plus le canal injecte
de porteurs, n, plus le champ électrique sera modulé dans la région de passage
du courant [Nall'98]. Dans le cas où NCANAL=3,2¥1017 cm-3, la densité de
courant est importante et on a quasiment 0dEdx
= en volume.
2.2.2 Densité de courant
La densité de courant fournie par le canal dépend de la mobilité des
électrons, de son dopage et de sa section conductrice. Elle atteint des valeurs
importantes de l’ordre de 106 A.cm-2 à l’extrémité du canal. Les coupes à
l’intérieur du canal permettent d’appréhender le passage du courant. La figure
3-15 et la figure 3-16 illustrent la densité de courant passant dans le canal à
VDS=600 V suivant les coupes 1 et 2. Le passage du courant est limité, coté
SiC, par la ZCE de la jonction P+/NCANAL légèrement polarisée en inverse et,
coté oxyde, par une ZCE due à la courbure des équipotentielles rentrant dans le
canal. Nous retrouvons sur ces courbes la striction du courant en fin de canal,
où pour NCANAL=3,2¥1017 cm-3 la section de passage maximale est de 0,1 µm
(XJCANAL=0,3µm), elle est d'environ 0,2 µm au milieu du canal (figure 3-15).
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79
-0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,50
1x105
2x105
3x105
4x105
5x105
2,6 1017 cm-3
3,2 1017 cm-3
P+
NCANAL
SiC- 4HSiO2
Dens
ité d
e co
uran
t d'é
lect
ron
[A/c
m2 ]
Profondeur [µm]
1015
1016
1017
1018
1019
Conc
entra
tion
[cm
-3]
figure 3-15 : Coupe verticale au milieu du canal (coupe 1, zoom sur 0,5 µm), densité decourant d'électrons et profil de dopage suivant le dopage du canal (NCANAL varie de2¥1016 à 3,2¥1017 cm-3) à VDS=600 V.
-0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,50,0
2,0x105
4,0x105
6,0x105
8,0x105
1,0x106
1,2x106
2,6 1017 cm-3
3,2 1017 cm-3
P+
NCANAL
SiC- 4HSiO2
Dens
ité d
e co
uran
t d'é
lect
ron
[A/c
m2 ]
Profondeur [µm]
1015
1016
1017
1018
1019
Conc
entra
tion
[cm
-3]
figure 3-16 : Coupe verticale en fin de canal (coupe 2, zoom sur 0,5 µm), densité decourant d'électrons et profil de dopage suivant le dopage du canal (NCANAL varie de2¥1016 à 3,2¥1017 cm-3) à VDS=600 V.
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80
2.2.3 Résistances partielles
Une décomposition de la résistance spécifique totale en trois
résistances partielles classiquement appelées RC, RA et RD est proposée sur la
figure 3-17 à VDS=5V. RC est la résistance spécifique de canal, RA celle d'accès
et RD correspond à la résistance de la couche épitaxiée. L'estimation de ces
résistances est calculée pour une section de passage du courant de XJCANAL=0,3
µm, LINTER=5 µm et LTOTALE=19 µm pour respectivement RC, RA et RD. La
résistance totale est dominée essentiellement par RC et RD dans la partie
ohmique, à NCANAL=2¥1017 cm-3 on obtient RC≈RD≈3 mΩ.cm2. A VDS=5 V, le
canal entre en saturation pour NCANAL<1,5¥1017 cm-3, la résistance totale est
alors majoritairement due à RC (figure 3-17).
L'examen des résistances partielles (extraites des simulations) indique
qu'un choix de 2¥1017 à 2,5¥1017 cm-3 comme dopage du canal permet
d'obtenir une zone active peu résistive et une résistance totale dominée par celle
de la couche faiblement dopée NEPI.
1,0x1017 1,5x1017 2,0x1017 2,5x1017 3,0x10170
5
10
15
20
25
30
RO
N-S
PE (
à V D
S=5V
) [
mΩ ΩΩΩ
.cm
2 ]
NCANAL [cm-3]
RC RA RD RTOTALE
figure 3-17 : Décomposition de la résistance spécifique totale à VDS=5V en fonction dudopage du canal, NCANAL. Attention à 5V, on entre dans la saturation pour NCANAL<1,3-1,5¥1017 cm-3, la résistance totale diffère alors de celle montrée sur la figure 3-6 (b).
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81
2.3 Influence de la longueur du canal
0 100 200 300 400 500 6000
500
1000
1500
2000
2500
10 µm
5 µm
4 µm
3 µm
2 µm
J DS
[A/c
m2 ]
VDS [V]
figure 3-18 : Réseau de caractéristiques JDS enfonction de VDS pour différentes valeurs delongueur de canal, LCANAL.
figure 3-19 : (a) Densité de courant de saturation,JDSSAT, (b) résistance spécifique, RON-SPE, (c)tension de saturation, VDSSAT, en fonction de lalongueur du canal, LCANAL.
Zone active Epitaxie NNEPI=5¥1015 cm-3
WEPI=6 µm
Wafer N+
NCANAL=2¥1017 cm-3
XJCANAL=0,3 µm
XJP+=1 µm
P+=1018 cm-3
LP+=10 µm
LINTER=5 µm
eOX=0,1 µm
NWAFER=1019 cm-3
WWAFER=2 µm
2 3 4 5 6 7 8 9 100
500
1000
1500
2000
2500
J DSS
AT
[A
/cm
2 ]
Longueur de canal (LCANAL) [µm]
(a)
2 3 4 5 6 7 8 9 10
6
8
10
12
14
16
RO
NSPE
[m
Ω ΩΩΩ.c
m2 ]
Longueur de canal (LCANAL) [µm]
(b)
2 3 4 5 6 7 8 9 100
2
4
6
8
10
12
14
V DSS
AT [
V]
Longueur de canal (LCANAL) [µm]
(c)
Une autre campagne de simulation propose l’étude du comportement
électrique de la structure limiteur ‘planar’ en fonction de sa longueur de canal.
La figure 3-19 résume les résultats obtenus à travers différentes caractéristiques
JDS=f(VDS), paramétrées en longueur de canal. Les canons tels que la densité de
Chapitre 3 : Conception d’un limiteur de courant en SiC-4H
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82
courant de saturation, la résistance série spécifique et la tension de saturation
sont repris comme critères de choix. La variation de la longueur de canal est ici
très large (de 2 à 10 µm) et sans doute exhaustive pour notre structure. Le choix
des autres paramètres de la structure est exposé figure 3-18.
Les résultats relatifs au courant de saturation permettent d’estimer une
variation de type hyperbolique avec la longueur de canal (figure 3-19 (a)). La
résistance spécifique varie quasiment linéairement avec la longueur de canal, le
facteur correspondant est d’environ 1,2 mΩ.cm²/µm (pour LCANAL>2 µm). Une
longueur comprise entre 2 µm et 6 µm permet de garder une résistance
spécifique inférieure à 10 mΩ.cm² et de maintenir un bon niveau de densité de
courant de saturation compris entre 1000 A.cm-2 et 2000 A.cm-2. La tendance
est donc de minimiser le plus possible la longueur du canal, la seule limite étant
la tension de saturation qui tend, elle, à augmenter.
2.3.1 Champ électrique
0,0 0,5 1,0 1,5 2,00,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0LCANAL=10µm
LCANAL=2µm
Cha
mp
élec
triq
ue [
MV/
cm]
Profondeur [µm]
1015
1016
1017
1018
1019
1020
Con
cent
ratio
n [c
m-3
]
figure 3-20 : Champ électrique (MV/cm) en fonction de la profondeur (µm) en fin de canal
(coupe 2), (XJCANAL=0,3 µm NCANAL=2××××1017 cm-3 / eOX=0,1 µm / LINTER=5 µm) à VDS=600 V.
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83
La longueur du canal n'influe pratiquement pas sur la répartition du
champ électrique dans la structure. La figure 3-20 résume ce constat en
synthétisant les profils de champ électrique tracés en fonction de la profondeur,
en fin de canal pour VDS=600 V. Le pic de champ électrique reste entre 2,5 et
2,7 MV.cm-1 en fin de caisson P+. La même observation peut être faite pour ce
qui est du maximum du champ électrique à l'intercellule, et conduit à des
valeurs proches de celles obtenues sur la figure 3-14 pour NCANAL=2¥1017 cm-3,
c'est-à-dire, ~2 MV.cm-1 dans le SiC et ~5,5 MV.cm-1 dans l'oxyde à VDS=600
V.
2.3.2 Densité de courant
La figure 3-21 synthétise les profils de densité de courant dans le canal
suivant la coupe 4. On observe une décroissance linéaire du maximum de
densité de courant en fin de canal, à ne pas lier directement à la densité de
courant totale, la section de passage en fin de canal diffère suivant la longueur
de celui-ci.
10 12 14 16 18 200
1x105
2x105
3x105
4x105
5x105
6x105
7x105
LCANAL=10 µm
LCANAL=2 µm
Den
sité
de
cour
ant J
e [A
/cm
2 ]
Distance [µm]
figure 3-21 : Densité de courant le long du canal (coupe 4) à une profondeur de 0,1 µm
(XJCANAL=0,3 µm NCANAL=2××××1017 cm-3 / eOX=0,1 µm / LINTER=5 µm) à VDS=600 V.
Chapitre 3 : Conception d’un limiteur de courant en SiC-4H
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
84
2.4 Influence de la profondeur de canal
0 100 200 300 400 500 6000
500
1000
1500
2000
2500
3000
0,15 µm
0,2 µm
0,25 µm
0,3 µm
0,35 µm
0,4 µm
J DS
[A/c
m2 ]
Tension VDS [V]
figure 3-22 : Réseau de caractéristiques JDS enfonction de VDS pour différentes valeurs deprofondeur de canal, XJCANAL.
figure 3-23 : (a) Densité de courant de saturation,JDSSAT, (b) résistance spécifique, RON-SPE, (c)tension de saturation, VDSSAT, en fonction de laprofondeur de canal, XJCANAL.
Zone active Epitaxie N
NEPI=5¥1015 cm-3
WEPI=6 µm
Wafer N+
NCANAL=2¥1017 cm-3
LCANAL=4 µm
XJP+=1 µm
P+=1018 cm-3
LP+=10 µm
LINTER=5 µm
eOX=0,1 µm
NWAFER=1019 cm-3
WWAFER=2 µm
0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,400
500
1000
1500
2000
2500
3000
J DSSA
T [
A/cm
2 ]
XJCANAL [µm]
(a)
0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,400
10
20
30
40
50
RO
N-SP
E [
mΩ ΩΩΩ
.cm
2 ]
XJCANAL [µm]
(b)
0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,400
5
10
15
20
V DSS
AT
[V]
XJCANAL [µm]
(c)
Comme précédemment, nous étudions ici un autre paramètre essentiel
du limiteur ‘planar’ : la profondeur du canal. La gamme explorée ici se situe
entre 0,1 µm et 0,4 µm. Comme il est proposé sur la figure 3-21 où des courbes
simulées de densités de courant en fonction de la tension VDS paramétrées en
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85
profondeur de canal sont tracées, la dispersion des résultats est très sensible au
dixième et même au centième de µm. Le passage, par exemple, de 0,25µm à 0,3
µm s’accompagne aussitôt d’une augmentation de 1000 A.cm-2 à 1500 A.cm-2
de la densité de courant de saturation !
Les tendances montrées sur la figure 3-23 concernant la densité de
courant de saturation, la résistance spécifique et la tension de saturation sont à
rapprocher de celles obtenues par variation du dopage de canal. Les
conséquences sur le niveau de densité de courant de saturation sont illustrées
figure 3-23 (a) où l’on retrouve un seuil de conduction pour une profondeur de
0,1µm. Il est alors plus adapté de parler en dose minimale (0,1¥2¥1017=2¥1012
cm-2, pour le paragraphe relatif au dopage du canal, on avait
0,3¥5¥1016=1,5¥1012 cm-2). Cependant, on ne retrouve pas la même tendance
que pour la variation du dopage de canal, l’augmentation de densité de courant
de saturation est plus rapide vis-à-vis de la dose présente dans le canal. Dans le
cas où le dopage variait, la mobilité des électrons ainsi que leur concentration
variaient aussi, lorsque la profondeur du canal varie n et µncanal ne changent pas.
La gamme envisageable serait une profondeur de canal comprise entre
0,2 et 0,3 µm permettant ainsi une densité de courant de 300 A.cm-2 à 1500
A.cm-2, une résistance spécifique de 12 mΩ.cm² à 7 mΩ.cm² et une tension de
saturation de 4 V à 11 V.
La stratégie à adopter vis-à-vis de la profondeur de canal est totalement
fonction de la technologie envisagée mais celle-ci doit être capable de garantir
une précision raisonnable (<0,05µm) sur la couche NCANAL.
2.4.1 Champ électrique
Le champ électrique sous l'oxyde, au milieu de l'intercellule, est
directement fonction de la profondeur du canal. Comme on peut le constater sur
la figure 3-24, l'augmentation moyenne du champ électrique sous l'oxyde est
d'environ 0,4 MV.cm-1 pour 0,1 µm de canal.
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86
Le dopage du canal est, comme vu précédemment (§2.2), acteur dans la
répartition du champ électrique. L'effet de zone de charge d'espace mobile
[Nall'98] est observable sur la figure 3-24.
0 1 2 3 4 5 60,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
XJCANAL=0,1 µm
XJCANAL=0,4 µm
Cha
mp
élec
triq
ue [
MV/
cm]
Profondeur [µm]
figure 3-24 : Champ électrique (MV/cm) en fonction de la profondeur suivant la coupe 3
(LCANAL=4 µm / NCANAL=2××××1017 cm-3 / eOX=0,1 µm / LINTER=5 µm) à VDS=600 V.
Le champ électrique dans l'oxyde est exprimé en fonction de la
profondeur de canal sur la figure 3-25 (extrait de la figure 3-24). Il apparaît
raisonnable de rester en dessous d'une profondeur de canal de 0,2-0,25 µm et
ainsi d'obtenir un champ électrique dans l'oxyde d'environ 5-5,5 MV.cm-1.
0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,451
2
3
4
5
6
7
ESiC
ESiO2
Cha
mp
élec
triq
ue [
MV/
cm]
XJCANAL [µm]
figure 3-25 : Champ électrique maximal (MV/cm), au centre de l'intercellule, en fonction
de XJCANAL (µm) (LCANAL=4 µm / NCANAL=2××××1017 cm-3 / eOX=0,1 µm / LINTER=5 µm) à VDS=600V.
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87
2.5 Synthèse des résultats en statique (liés aux paramètres du canal)Pour résumer l'influence des paramètres liés au canal, des abaques sont
proposées sur la figure 3-26 pour le courant et sur la figure 3-27 pour la
résistance spécifique. La prise en compte d'un niveau donneur à EC-EV=70 meV
dans les simulations de la figure 3-26 et de la figure 3-27 permet une meilleure
estimation des densités de courant possibles.
La spécification de l’intensité du courant de saturation en A.cm-1 est
utilisée d'un point de vue conception pour calibrer le 'métrage' du composant
vis-à-vis d'un ampérage fixé. La densité de courant renseigne sur la
performance du composant et est généralement plus parlante car utilisée comme
unité dans tous les types de composants, rappelons qu'elle est calculée coté
drain et dépend ainsi de la surface de drain considérée.
Il est possible d'obtenir le même calibre en courant pour des jeux de
paramètres différents, tous ne conduisent pas à la même résistance série et aux
mêmes contraintes électrostatiques dans l'oxyde.
Avec un critère de champ électrique dans l'oxyde de 5 MV.cm-1 à
VDS=600 V, un choix de paramètres conduisant à la résistance spécifique
minimale est XJCANAL=0,25 µm / NCANAL=2¥1017 cm-3 / LCANAL=4 µm. La
densité de courant correspondante est de 500 A.cm-2.
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figure 3-26 : Densité de courant de saturation [A.cm-2] et courant de saturation [A.cm-1]en fonction de NCANAL, paramétrage suivant LCANAL et XJCANAL (EC-ED=70 meV).
figure 3-27 : Résistance spécifique en fonction de NCANAL, paramétrage suivant LCANAL etXJCANAL (EC-ED=70 meV).
2.6 Influence de l'intercelluleUn paramètre de conception lié aux règles de dessin est la largeur de
l'espacement entre cellules quantifié par LINTER et égale à 2¥LINTER. La figure
3-28 montre l'influence de LINTER sur la caractéristique électrique directe du
composant.
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89
0 5 10 15 20 25 300
50
100
150
200
2501 µm
5 µm
J DS
[A
/cm
2 ]
VDS [V]
figure 3-28 : Réseau de caractéristiques JDS enfonction de VDS pour différentes valeurs de LINTER
figure 3-29 : (a) Densité de courant de saturation,JDSSAT, (b) résistance spécifique, RON-SPE, (c)tension de saturation, VDSSAT, en fonction deLINTER.
Zone active Epitaxie NNEPI=5¥1015 cm-3
WEPI=6 µm
Wafer N+
NCANAL=2¥1017cm-3
LCANAL=4 µm
XJCANAL=0,2 µm
XJP+=1 µm
P+=1018 cm-3
LP+=10 µm
eOX=0,1 µm
NWAFER=1019 cm-3
WWAFER=2 µm
1 2 3 4 5200
210
220
230
240
250
260
270
J DSS
AT
[A/c
m2 ]
LINTER [µm]
(a)
1 2 3 4 50
5
10
15
20
25
RO
N-SP
ECIF
IQUE
[m
Ω ΩΩΩ.c
m2 ]
LINTER [µm]
(b)
1 2 3 4 50
1
2
3
4
5
6
7
V DSS
AT
[V]
LINTER [µm]
(c)
Pour des valeurs de LINTER comprises entre 2 et 5 µm (5 à 10 µm entre
chaque cellule), la densité de courant augmente proportionnellement à la
diminution de la surface considérée mais le courant total (en A.cm-1) est
constant. Il en va de même pour la résistance spécifique. La figure 3-30
représente le courant IDS en fonction de VDS, on remarque un comportement très
proche des composants dont LINTER varie entre 2 et 5 µm.
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90
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500,0
0,1
0,2
0,3
0,4
LINTER=2 - 5 µm
LINTER=1,5 µm
LINTER=1 µm
Cou
rant
I D
S [A
/cm
]
VDS [V]
figure 3-30 : Courant IDS en fonction deVDS pour différentes valeurs de LINTER.
10 11 12 13 14 15 16 17 18 190
1
2
3
4
2 µm
1,5 µm
1 µm
LINTER=5 µmcanal
Pote
ntie
l [V
]
Distance [µm]
figure 3-31 : Potentiel en fonction de ladistance suivant une coupe 4 à VDS=5V.
Lorsque LINTER est inférieur à 2 µm, l'incidence sur la résistance série
est manifeste. Elle augmente rapidement essentiellement grâce à l'augmentation
de la résistance d'accès, RA qui devient importante. La figure 3-31 illustre la
situation vue du canal à VDS=5 V et montre que, pour LINTER=1 µm, le potentiel
en fin de canal est de 1 V et celui ci n'est pas saturé alors que pour LINTER>2
µm, la saturation est déjà visible par la brusque élévation du potentiel en fin de
canal. La figure 3-32 propose une vue du potentiel à travers la structure à
VDS=5 V (coupe 3) et montre "l'écrantage" progressif du potentiel par le
resserrement des cellules, la limite atteinte pour LINTER=1 µm montre
l'activation d'un second pincement du courant par un effet JFET parasite. Ce
phénomène a une répercussion intéressante sur le profil du champ électrique
dans la structure à VDS=600 V (figure 3-33) ; l'écrantage permet alors de
diminuer le champ dans l'oxyde comme exposé sur la figure 3-34.
Chapitre 3 : Conception d’un limiteur de courant en SiC-4H
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91
0 1 2 3 4 5 60
1
2
3
4
5
LINTER=5 µm
LINTER=1 µm
Pote
ntie
l [V
]
Profondeur [µm]
figure 3-32 : Potentiel dans la structureà VDS=5 V suivant une coupe 3, centrede l'intercellule.
0 1 2 3 4 5 60,0
0,5
1,0
1,5
2,0
5 µm
1 µm
5 µm1 µm
Cham
p él
ectr
ique
[M
V/cm
]
Profondeur [µm]
1015
1016
1017
1018
1019
Conc
entr
atio
n [c
m-3
]
figure 3-33 : Champ électrique dans lastructure à VDS=600 V suivant une coupe 3,centre de l'intercellule.
1 2 3 4 50
1
2
3
4
5
ESiC
EOX
Cha
mp
élec
triq
ue [
MV/
cm]
LINTER [µm]
figure 3-34 : Champ électrique dans l'oxyde et dans le SiC, à l'interface SiO2/SiC aucentre de l'intercellule.
Un bon compromis entre l'effet d'écran de potentiel et une résistance
série acceptable peut être obtenu en choisissant un espacement des cellules de 5
à 7 µm (LINTER=2,5 à 3,5 µm). Les profils de dopage utilisés sont très abrupts
avec de faibles extensions latérales (0,01¥XJ), ils constituent le pire cas en
terme de pic de champ électrique (en fin de région P+). L'extension latérale
réelle (~0,02¥XJ dépendant des conditions de réalisation, dans le cas d'une
implantation notamment) est difficile à estimer et peut accentuer le phénomène
Chapitre 3 : Conception d’un limiteur de courant en SiC-4H
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92
de JFET parasite, des valeurs proches de 4 µm séparant deux cellules actives
sont alors technologiquement risquées.
Le rapprochement des cellules diminue le 'pic' de champ électrique en
fin de région P+ et ainsi la densité de courant de trous (courant de fuite de la
jonction P+/NEPI) dans la base du transistor bipolaire parasite (N++/P+/NEPI).
Ceci est vrai (figure 3-35) tant que l'effet JFET est faible (LINTER>2 µm), la
densité de courant de trous dans la base est d'environ 0,3 A.cm-2. Pour
LINTER<2µm, le courant de trous dans la base augmente jusqu'à 1 A.cm-2, la
couche P+ doit être dimensionnée pour tenir la tension et offrir la résistance la
plus faible possible pour éviter de polariser localement la jonction N++/P+ en
direct (~2 V ) : elle doit donc être la plus dopée et la plus profonde possible (les
choix technologiques sont les principaux critères de dimensionnement de la
couche P+).
8 10 12 14 16 180,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
J p [
A/c
m2 ]
Distance [µm]
NEPI
P+
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1 µm
1,5 µm
1 µm
1,5 µm
2 µm
3 µm
2 µm 3 µm
LINTER=5 µm
LINTER=5 µm
Cha
mp
élec
triq
ue [
MV/
cm]
figure 3-35 : Champ électrique et densité de courant à VDS=600 V suivant une coupe 5.
Chapitre 3 : Conception d’un limiteur de courant en SiC-4H
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
93
2.7 Influence de l'épaisseur d'oxydeL'influence de l'épaisseur d'oxyde sur les caractéristiques JDS(VDS) est
résumée sur la figure 3-36. Son incidence sur la densité de courant de
saturation, la résistance série spécifique et la tension de saturation est évaluée
sur la figure 3-37.
La diminution de l'épaisseur d'oxyde entraîne une diminution globale
des performances du composant (figure 3-37). Ce phénomène est lié à la
tension de bande plate utilisée en simulation induisant une ZCE dans le canal.
La tension de bande plate s'exprime analytiquement par :
ln2
G CANALFB M SiC
i
E NkTVq q n
φ χ
= − − +
avec : φM, travail de sortie du métal en V
χSiC, affinité électronique du SiC-4H (4,1 V)
La valeur prise par le simulateur, sans autre précision de l'utilisateur,
est :
2G
M SiCE
qφ χ= + ≈5,5 V
La tension de bande plate est alors : ln CANALFB
i
NkTVq n
=
La zone de désertion à VDS=0 V ainsi induite par VFB dans le SiC est :
2
FB
SiOV FB
CANAL OX
W VqN e
ε=
soit une désertion d'environ 16 nm pour une épaisseur d'oxyde de 100
nm (NCANAL=2¥1017 cm-3). Le choix du nickel comme contact (φM=4,4 V)
conduirait à VFB=-0,3 V soit une désertion de 3 nm à VDS=0 V.
Chapitre 3 : Conception d’un limiteur de courant en SiC-4H
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94
0 100 200 300 400 500 6000
50
100
150
200
250
300
40 nm
60 nm
80 nm
100 nm
120 nm
20 nm
J DS [
A/c
m2 ]
VDS [V]
figure 3-36 : Caractéristiques JDS(VDS) suivantl'épaisseur de SiO2, eOX.
figure 3-37 : (a) la densité de courant desaturation, JDSSAT, (b) la résistance spécifique,RONSPE, (c) la tension de saturation, VDSSAT,suivant l'épaisseur de SiO2, eOX.
Zone active Epitaxie NNEPI=5¥1015 cm-3
WEPI=6 µm
Wafer N+
NCANAL=2¥1017cm-3
LCANAL=4 µm
XJCANAL=0,2 µm
XJP+=1 µm
P+=1018 cm-3
LP+=10 µm
LINTER=5 µm
eOX=0,1 µm
NWAFER=1019 cm-3
WWAFER=2 µm
20 40 60 80 100 1200
50
100
150
200
250
300
J DSS
AT
[A/c
m2 ]
Epaisseur d'oxyde, eOX (SiO2) [nm]
(a)
20 40 60 80 100 12010
15
20
25
RO
N-S
PE [
mΩ ΩΩΩ
.cm
2 ]
Epaisseur d'oxyde, eOX (SiO2) [nm]
(b)
20 40 60 80 100 1200,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
V DSS
AT [
V]
Epaisseur d'oxyde, eOX (SiO2) [nm]
(c)
2.8 Influence des charges à l'interface SiO2/SiCUn paramètre important dès que l'on évoque 'oxyde' et 'SiC' est la
qualité de l'interface entre l'isolant et le semi-conducteur. Nous évaluons ici
l'influence de la présence de charges fixes négatives situées à l'interface
SiO2/SiC-4H sur les caractéristiques électriques I(V) du composant. Nous
définirons une quantité de charge fixe négative à l'interface, QOX. Ces charges
reflètent l'effet simplifié du cumul des charges fixes dans l'oxyde, Qeff, et de la
Chapitre 3 : Conception d’un limiteur de courant en SiC-4H
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
95
densité de charges piègées à l'interface, Dit. L'effet de QOX sur la caractéristique
statique est illustré sur la figure 3-38 sur un limiteur dont les paramètres du
canal sont : LCANAL=4 µm, NCANAL=2,5×1017 cm-3, XJCANAL=0,2 µm, eOX=0,1
µm et comme caractéristique intercellulaire LINTER=5 µm. L'impact de QOX sur
la densité de courant de saturation, la résistance et la tension de saturation du
limiteur est visible sur les courbes de la figure 3-39.
figure 3-39 : Effet des charges, QOX<0, dues àl'interface SiO2/SiC-4H sur : (a) la densité decourant de saturation, JDSSAT, (b) la résistancespécifique, RONSPE, (c) la tension de saturation,VDSSAT, en fonction la densité de chargesspécifiée, QOX<0.
figure 3-40 : Zone de désertion dans le canal, WCANAL,WVbi et WmCANAL en fonction dudopage du canal, NCANAL. Les charges, QOX, à l'interface SiO2/SiC-4H (exprimée en 1012
cm-2), sont annotées sur les courbes relatives à WCANAL (P+=1018 cm-3).
On s'aperçoit ainsi que pour NCANAL=2,5¥1017 cm-3, une densité de
charge QOX de 2¥1012 cm-2 conduit à une réduction de WC de 75 %. La
réflexion sur un processus technologique conduisant à un bon état d'interface
entre oxyde et SiC-4H peut conduire à une meilleure optimisation du canal
(NCANAL plus faible). Dans le cas d'une incertitude sur l'interface oxyde/SiC-
4H, il sera nécessaire de sur-calibrer le composant pour obtenir un canal
normalement passant.
2.8.1 Champ électrique
Le point positif à la présence de charges négatives à l'interface est la
diminution du champ électrique dans l'oxyde à VDS=600 V (figure 3-41). Le
champ dans l'oxyde s'exprime par :
Chapitre 3 : Conception d’un limiteur de courant en SiC-4H
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
figure 3-41 : Champ électrique dans le SiO2 et le SiC en fonction des charges négativesglobales à l'interface QOX, au centre de l'intercellule et à VDS=600 V.
2.9 Modélisation analytique du composant
figure 3-42 : Modélisation du fonctionnement du canal du composant.
Une modélisation analytique du fonctionnement du composant peut
permettre d’estimer le poids relatif des paramètres de conception. Cette
estimation ne peut remplacer la simulation par éléments finis beaucoup plus
précise et surtout prenant en compte l'aspect 2D voire 3D. La modélisation se
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Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
100
veut simple dans sa formulation et oblige ainsi à des hypothèses
simplificatrices :
1 profils de dopage abrupts
2 mobilité constante dans le canal et non affectée par le champ
électrique
3 pas de prise en compte de la résistance d'accès, RA.
4 ionisation complète des dopants, n=ND.
5 profils de densité de courant abrupts limités par les ZCE
Le modèle du canal [Sze'81] est illustré sur la figure 3-42, il s'appuie
sur le principe d'une conduction limitée par l'extension d'une ZCE provenant de
la commande de grille (VGS) et d'une autre ZCE issue de la jonction P+/NCANAL
en inverse (VDS).
Calcul:
La densité de courant JDS en un point y du canal est :
( ) ( )DS nJ y qnµ E y=
La section de passage est : ( ) ( )CS y Zx y=
Avec Z, largeur de canal et xC(y) épaisseur de canal conducteur
Le courant est alors :
( ) ( )DS n CdVI y qµ Znx ydy
=
La dose prélevée par la ZCE provenant de la jonction P+/NCANAL est :
( )( )2( )
1
SiC biCANALP
CANALCANAL
V y VQ y N
NqNP
ε+
+
+=
+
La dose prélevée par la ZCE de grille (en désertion) est :
( ) ( )( )2( )G
SiOV G FB
OX
Q y V y V Vqeε
= − −
Chapitre 3 : Conception d’un limiteur de courant en SiC-4H
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101
La dose de désertion maximale est :
4 ln CANALSiC
iVG MAX CANAL
CANAL
NkTq n
Q qNqN
ε
−
=
avec :
ln2
G CANAL OXFB M SiC
i OX
E N qQkTVq q n C
φ χ
= − − + −
soit la dose de conduction nxC(y) restante du canal :
( )GC C CANAL VP
nx y Q Q Q Q+= = − −
On obtient, en supposant que dVdy
ne dépend pas de y :
( ) ( )0 0
CANAL DSL V
DS n CI y dy qµ Z Q V dV=∫ ∫
soit, avec CANALn N= :
( ) ( ) ( )23 32 2
22 2 23 21
SiO DSCANAL ncanal SiCDS DS JCANAL DS DS bi bi DS FB GS
CANALCANAL CANAL OXCANAL
VqN µ ZI V X V V V V V V VNL qN eqN
P
εε
+
= − + − − + − +
La saturation est définie comme le pincement du courant en fin de
canal à, VDS=VP telle que QC(VP)=0 en y=LCANAL, soit (à VGS=0 V) :
( ) ( )22
1
SiOSiC P biJCANAL CANAL CANAL P FB
CANAL OXCANAL
V VX N N V V
N qeqNP
εε
+
+= + +
+
L'expression de VP n'est pas triviale dans son écriture et n'apporte pas
d'information et l'expression du courant de saturation l'est encore moins. La
résistance série est par contre plus aisée à extraire par :
( )1 0DSON DS
DS
dIR VdV
− = =
On obtient :
Chapitre 3 : Conception d’un limiteur de courant en SiC-4H
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102
22
1
CANALON
SiO FBSiC bi CANALncanal CANAL JCANAL
CANAL OX
LR
VV Nqµ Z N XN qeq
P
εε
+
= − −
+
Le modèle proposé conduit à une formulation complexe et une lisibilité
difficile de l'influence des paramètres du canal sur le comportement électrique
du composant. Une comparaison simulation ISE/Modèle analytique est
proposée sur la figure 3-43. La différence entre les deux réseaux de courbes
paramétrés en longueur de canal est importante tant au niveau des courant de
saturation que pour la résistance série. La prise en compte de la résistivité des
couches NEPI/NWAFER utilisées en simulation fine a été pourtant ajoutée au
modèle analytique. Ces résultats montrent qu'un modèle plus complexe pourrait
être développé, tenant compte de la résistance d'accès, on tend alors vers une
formulation très complexe se rapprochant finalement d'une simulation par
éléments finis.
0 10 20 30 40 500
1
2
3
4
10 µm
6 µm
5 µm
4 µm
3 µm
LCANAL=2 µm
Simulation ISE Modèle analytique
Cou
rant
ID
S [A
/cm
]
VDS [V]
figure 3-43 : Comparaison Simulation ISE et modèle analytique avec prise en compte dela résistance de l'épitaxie NEPI. Les résultats de simulation sont ceux concernant leparagraphe relatif à la longueur de canal. Les paramètres introduits dans le modèleanalytique sont les mêmes que ceux utilisés pour les simulations.
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103
2.10 Possibilité de commande par grilleDans le modèle analytique précédent apparaît une commande de grille.
Le composant peut être commandé et ainsi se comporter comme un
interrupteur. La figure 3-44 montre, dans divers cas de dimensionnement du
canal (XJCANAL et NCANAL), le comportement du composant vis-à-vis de la
tension de grille VGS à VDS=50 V. Il apparaît que pour des tensions de grille
comprises entre -10 V et -20 V, le composant peut être totalement ouvert. Les
couples (XJCANAL/NCANAL) 0,2-0,25 µm/2¥1017 cm-3 et 0,2 µm/3¥1017 cm-3 sont
de bons candidats pour la réalisation d'un interrupteur et offrent, comme vu
précédemment, des performances intéressantes en conduction. La présence
d'une commande sur un composant limiteur de courant peut servir à ouvrir le
circuit en phase de court-circuit; la tension de commande peut être générée par
un interrupteur silicium (ou SiC) par détection de la tension aux bornes du
figure 3-44 : Densité de courant (en Logarithme décimal ) en fonction de la tension decommande à l'ouverture, sous VDS=50 V pour différents couples XJCANAL / NCANAL ([µm] /
figure 3-45 : Claquage de la zone active du composant en fonction du dopage del'épitaxie, NEPI, et la dose présente dans le canal (XJCANAL¥NCANAL)
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105
Le lieu de claquage relatif à la zone 1 se situe au centre de
l'intercellule, à l'interface SiO2/SiC, et se situe en fin de P+ pour la zone 2. Les
lieux de claquage sont représentés sur la figure 3-46. Le cas présenté sur la
figure 3-46 correspond à un claquage simultané en fin de région P+ et à
l'intercellule.
0 200 400 600 800 10000
100
200
300
400
500
600
700
800 VBR
J DS
[A
/cm
2 ]
VDS [V]
(a)
12
P+
NEPI
NWAFER
(b)
figure 3-46 : Claquage de la zone active ducomposant. (a) Densité de courant JDS enfonction de VDS, (b) densité de courant Je et(c) Jt dans la structure au moment duclaquage indiqué en (a). Le champ électriqueapparaît sous forme de ligne "d'isochamp".Les régions 1 et 2 sont les lieux de claquagessuivant les choix de dopages effectués. Dansle cas présent: XJCANAL=0,25 µm /NCANAL=2¥1017 cm-3 / WEPI=6 µm / NEPI=1016 cm-3
/ LCANAL=4 µm / LINTER=5 µm, le claquage estatteint simultanément en 1 e 2.
12
P+
NEPI
NWAFER
(c)
Dans la zone 2 (figure 3-45), le claquage se situe en bordure de P+ et
est conditionné par le pic de champ électrique. L'effet de courbure des
équipotentielles dépend du choix de l'extension latérale de la région P+, le cas
étudié correspond à un pire cas avec un profil de dopage très abrupt. Lorsque la
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106
dose du canal augmente, le champ électrique à l'intercellule (à l'interface
SiO2/SiC) augmente et, une fois le champ de claquage atteint, la structure
présente un claquage simultané, en fin de P+ et au centre de l'intercellule (figure
3-46). Pour des doses de canal supérieures, le claquage se situe principalement
à l'intercellule et la répartition du champ électrique dans la structure est
contrôlée par la couche NCANAL comme illustré sur la figure 3-47.
figure 3-47 : Profils de champ électrique au moment du claquage suivant : (a) une coupe3, (b) une coupe 2. Le claquage a lieu à l'intercellule (zone 1), la valeur du pic de champélectrique en fin de P+ ne dépend pas du dopage de l'épitaxie, NEPI.
Ces résultats de tenue en tension montrent que les caractéristiques de la
couche épitaxiée ne conditionnent pas à elles seules le claquage du composant,
la dose présente dans le canal intervient et, en augmentant, diminue le calibre
en tension au profit du calibre en courant.
Nous évaluons maintenant la tenue en tension de la protection
périphérique choisie.
2.11.2 Protection périphérique
Diverses techniques permet d'optimiser la tenue en tension des
composants de puissance : extension latérale de jonction (JTE) [Orto'98],
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107
plaque de champ, anneaux de garde, gravure. L'objectif est de faciliter le
bouclage des équipotentielles en évitant au maximum l'effet de pic de champ
électrique induit dans le semi-conducteur. Nous ne tenons compte ici que du
claquage du semi-conducteur sans prendre en compte le claquage d'une
éventuelle couche de passivation. Nous considérons simplement une couche
d'air "coiffant" la terminaison.
Dans notre cas le critère de choix de la terminaison est avant tout une
compatibilité technologique avec la réalisation de la partie active, nous
reviendrons sur ce point dans la partie relative à la technologie choisie.
La protection périphérique retenue est réalisée par une succession de
zones P+ non polarisées dont l'espacement et la largeur doivent être optimisés
pour obtenir une tension de claquage la plus proche possible de la tension de
claquage maximale (tenue en tension d'une jonction plane infinie à structure
"verticale"). Ce type de protection est communément appelé "anneaux de
garde" [Plan'94]. La figure 3-48 regroupe les résultats de tenue en tension de la
périphérie en fonction des l'espacement des anneaux. Le nombre d'anneaux est
de trois et l'espacement entre anneaux est identique.
1 2 3 4 5
600
800
1000
1200
1400Tension de claquage maximale (6 µm / 5 1015 cm-3)
44 %
52 %
62 %67 %
V BR [
V]
Espacement des anneaux de garde [µm]
figure 3-48 : Tension de claquage, VBR, et efficacité de la protection (%) en fonction del'espacement entre les anneaux de garde (nombre d'anneaux=3, largeur d'un anneau=10µm, épitaxie=6 µm / 5¥1015 cm-3)
Chapitre 3 : Conception d’un limiteur de courant en SiC-4H
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108
Une protection optimisée par anneaux de garde requiert un écartement
progressif des anneaux ainsi qu'un choix judicieux de leur largeur et nombre
[Niu'00] [Plan'94]. L'étude proposée ici n'est pas l'optimisation de la protection
par anneaux de garde mais seulement une analyse de la configuration prise
compte tenu des exigences technologiques développées ultérieurement (figure
3-49).
La périphérie utilisée pour la réalisation du composant comprend 3
anneaux de garde espacés de 3 µm et de largeur 10 µm, la tension de claquage
obtenue est de 720 V.
Comme l'illustre la figure 3-49 (b), la protection périphérique retenue
n'est pas optimisée, les pics de champ électrique en bordure des régions P+
doivent être équilibrés dans le cas d’une périphérie par anneaux de garde
optimisée.
(a)
20 30 40 50 60 70 800
1
2
3
4
Cha
mp
élec
triq
ue [
MV/
cm]
Distance [µm]
0
100
200
300
400
500
600
700
NEPI
P+P+P+P+
Pote
ntie
l [V
]
(b)
figure 3-49 : (a) Distribution des équipotentielles en périphérie à VDS=700 V (VBR=720 V),(b) profils du champ électrique et du potentiel suivant une coupe latérale à XJP+ pour VDS
égal à 300, 500 et 700 V (le cas illustré donne une efficacité de protection de 52 % (figure3-48)).
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109
3 Simulations électrothermiques
Les simulations électrothermiques vont nous permettre de connaître
l'aptitude en température du limiteur. Son comportement thermique imposera
un calibrage du composant en densité de courant admissible vis-à-vis d'un
fonctionnement donné. Les structures étudiées dans cette partie sont maintenant
armées d'un wafer N+ (300 µm / 3¥1018 cm-3) coté drain. Nous prendrons en
compte l'ionisation des donneurs (EC-ED=70 meV), ainsi que les variations de
la conductivité thermique, de la mobilité, des coefficients d'ionisation par
impact en fonction de la température.
Divers stress en tension seront appliqués :
• Montée en tension VDS de 0 à 500 V de 0 à 1 ms, puis constante
à 500 V (>1 ms).
• Divers environnements thermiques.
• Diverses alternances de tensions sinusoïdales de valeur crête 300
et 600 V et à diverses fréquences (50 Hz, 500 Hz, 5 kHz, 50 kHz).
3.1 Créneau de tension, VDS
Le limiteur est placé comme unique charge d'une source de tension, il
est ainsi en situation de court-circuit et doit être capable de limiter le courant
tout en supportant la tension appliquée. La forme d'onde de tension utilisée est
un créneau de 500 V avec un temps de monté de 1 ms (figure 3-50).
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Une résistance thermique de 0,1 K.cm2.W-1 est placée coté drain (soit
3,5 mm de cuivre). La température ambiante, Tamb, est de 300 K. Nous
étudierons le comportement électrothermique de limiteurs dont le niveau de
dopage de canal varie entre 2¥1017 cm-3 et 4¥1017 cm-3 et pour deux
profondeurs de canal, 0,2 µm et 0,3 µm. Les paramètres fixés de la structure
sont énoncés dans le tableau suivant:
Canal EpitaxieLCANAL=4 µm
eOX=0,1 µm
NEPI=5¥1015 cm-3
WEPI=6 µm
P+ SubstratXJP+=1 µm
P+=1018 cm-3
LP+=10 µm
LINTER=5 µm
NWAFER=3¥1018 cm-3
WWAFER=300 µm
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111
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00
500
1000
1500
2000 XJCANAL=0,3 µm
2,5 1017 cm-3
3 1017 cm -3
3,5 10 17 cm -3
2 1017 cm-3
4 10 17 cm -3
J DS
[A/c
m2 ]
temps [ms]
(a1)
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00
500
1000 XJCANAL=0,2 µm
4 10 17 cm -3
3,5 10 17 cm -3
3 1017 cm-3
2,5 1017 cm-3
2 1017 cm-3
J DS
[A/c
m2 ]
temps [ms]
(a2)
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
400
600
800
1000
1200
1400 TJONCTION TBASE
2 1017 cm
-34 10
17 cm-3
T JON
CTIO
N ,
T BASE
[K
]
temps [ms]
(b1)
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
400
600
800
1000
1200
1400 TJONCTION TBASE
2 1017 cm-3
4 1017 cm-3
T JONC
TIO
N, TB
ASE [
K]
temps [ms]
(b2)
figure 3-52 : (a1) (a2), Variation de la densité de courant, JDS, et, (b1) (b2), destempératures de base et de jonction, TBASE et TJONCTION, en fonction du temps (entre 0 et1 ms) pour différents niveaux de dopage du canal, NCANAL, et une tension VDS variantcomme indiquée sur la figure 3-50 et dans les conditions thermiques décrites figure3-51. Le numéro, 1 ou 2, adjoint à la lettre référençant les figures, indiquerespectivement une profondeur de canal, XJCANAL, de 0,3 et 0,2 µm.
L'évolution de la densité de courant en fonction du temps proposée sur
la figure 3-52 (a1 et a2) montre clairement une diminution du courant de
saturation due à l'augmentation de la température interne dans le composant.
Nous avons choisi un critère d'arrêt empirique des simulations, symptomatique
de la destruction du composant. Une température maximale de 1500 K (1227
°C) semble excessive pour la métallisation et la couche d'oxyde et sera notre
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112
critère d'arrêt. Notons cependant, qu'à cette température, rien ne laisse présager,
à la vue des courbes J(t), un quelconque emballement thermique du limiteur
pouvant engendrer sa destruction. Les courbes de la figure 3-52 indiquent que
le niveau de courant obtenu à haute température est, comme pour les
caractéristiques statiques, fonction des paramètres du canal. La structure
conserve ainsi sa fonctionnalité à haute température en limitant, voire
diminuant, la puissance interne dissipée (J¥V). Dans deux configurations de
canal (0,2 µm / 2¥1017 cm-3 et 0,2 µm / 2¥1017 cm-3) le régime permanent est
atteint (figure 3-53 (c)). Bien sur, l'équilibre obtenu est directement lié à notre
condition limite thermique définie figure 3-51 et uniquement valable dans ce
contexte.
0 1 2 3 4 50
50
100
150
200
0,2 µm / 2 1017 cm-3
0,2 µm / 4 1017 cm-3
0,3 µm / 2 1017 cm-3
0,3 µm / 4 1017 cm-3
Puis
sanc
e di
ssip
ée [
kW/c
m²]
temps [ms]
(a)
0 2 4 6 8 100
500
1000 XJCANAL=0,2 µm
4 10 17 cm-3
2,5 1017 cm-32 1017 cm-3
J DS
[A/c
m2 ]
temps [ms]
(b)
figure 3-53 : (a) Puissance dissipée enfonction du temps, suivant NCANAL etXJCANAL, produit J¥V issu des courbesdonnées figure 3-50 et figure 3-52. (b)densité de courant, et (c) températures,TJONCTION et TBASE en fonction du temps(0 à 10ms) : régime permanent atteint àTJONCTION =950 K (P=25 kW/cm2 / JDS=55A/cm2 / VDS=500 V).
0 2 4 6 8 10
400
600
800
1000
1200
1400
XJCANAL=0,2 µm
2,5 1017 cm-3
TJONCTION TBASE
2 1017 cm-3
4 10
17 c
m-3
T JONC
TIO
N, TB
ASE [
K]
temps [ms]
(c)
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113
Le principal paramètre physique thermo-sensible responsable de la
diminution du courant est la mobilité électronique dans le canal, µncanal, qui,
d'après le modèle utilisé, décroît suivant T-2. La température influente est celle
du canal, soit TJONCTION. Le siège du maximum de puissance joule fournie
(définie comme le produit scalaire du vecteur densité de courant de conduction
et du vecteur champ électrique) est localisé en fin de canal où se situe le
maximum de densité de courant dans le composant et un champ électrique
élevé.
La figure 3-54 illustre la situation électrique dans le canal à travers une
coupe longitudinale (coupe 4) suivant laquelle sont tracés les profils de densité
de courant, de mobilité électronique et de la puissance joule à différents
instants pour un limiteur dont les caractéristiques sont : LCANAL=4 µm,
NCANAL=2¥1017 cm-3, XJCANAL=0,2 µm. On constate effectivement (figure 3-54
(c)) l'influence de la température sur la mobilité des électrons dans le canal
(µn(370K)=300 cm2.V-1.s-1 / µn(950K)=60 cm2.V-1.s-1), et ainsi sur la densité de
courant le traversant (Je(11µm/370K)=4¥104 A.cm-2 / Je(11µm/950K)=104 A.cm-2). Le
lien entre mobilité et densité de courant n'est pas direct, il faut tenir compte de
tous les paramètres physiques du semi-conducteur qui varient tous en
température. La figure 3-54 (c) montre la réduction importante de la mobilité
en fin de canal due à l'augmentation du champ électrique, la vitesse de transport
des électrons tend vers une valeur limite (2¥107 cm.s-1 pour les simulations)
diminuant avec la température.
Concernant la puissance joule dissipée (figure 3-54 (d)), elle atteint
aisément 10 GW.cm-3 en fin de canal (TJONCTION=370 K), dans une
configuration où la densité de courant de saturation en statique est de 200
A.cm-2; les structures calibrées à 2000 A.cm-2 sont familières du domaine des
100 GW.cm-3.
Chapitre 3 : Conception d’un limiteur de courant en SiC-4H
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114
0 1 2 8 100
50
100
150
200
876543
2
1
J DS
[A/c
m2 ]
Temps [ms]
400
600
800
1000
T JONC
TIO
N [K
]
(a)
10 11 12 13 140
2x104
4x104
6x104
8x104
1x105
8 7 6 54
3
2
1
Je [
A/c
m2 ]
Longueur [µm]
(b)
10 11 12 13 140
100
200
300
400
87654
3
2
1
µ n [
cm2 .V
-1.s
-1]
longueur [µm]
(c)
10 11 12 13 14107
108
109
1010
8 7 6 54
32
1
P JOU
LE
[W
/cm
3 ]
longueur [µm]
(d)
figure 3-54 : (a) Variation de JDS et TJONCTION en fonction du temps. Coupe longitudinale(coupe 4) dans le canal montrant l'évolution de: (b) la densité de courant d'électron, Je,(c) la mobilité électronique, µn, et (d) la puissance joule dissipée, PJOULE, à différentsinstants (0,3 / 0,6 / 0,9 / 1,2 / 1,5 / 1,8 / 2 / 10 ms). (NCANAL=2¥1017 cm-3 / XJCANAL=0,2 µm).
La simulation électrothermique permet ainsi de définir le calibre en
densité de courant du limiteur. Le domaine du possible dépend de l'application
choisie. Dans le cas usuel de protection série, un disjoncteur est chargé d'ouvrir
le circuit une fois le courant de défaut détecté. Le temps de réaction de ce
disjoncteur et la stratégie adoptée déterminent un choix possible du calibre du
limiteur. Si l'on souhaite obtenir une ouverture rapide du circuit (200 µs à 400
µs), la préférence ira vers un limiteur 2000 A.cm-2, inversement on peut choisir
délibérément un limiteur de 100 A.cm-2 pour pouvoir utiliser un disjoncteur
Chapitre 3 : Conception d’un limiteur de courant en SiC-4H
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115
moins performant, voire même, laisser le limiteur agir seul pendant une durée
contrôlée (pendant des transitoires de courant inhérents au circuit par exemple).
De ce point de vue, il est important de mieux estimer l'évolution de la
température en fonction du temps. La condition limite fixée (RTH= 0,1
K.cm2.W-1 coté drain) est insuffisante ne permet pas de tenir compte de la
capacité thermique éventuelle du matériau placé sous le SiC. La réponse
temporelle obtenue est donc relative à ce cas précis.
3.1.1 Diverses "semelles" thermiques
(a) (b)
(c)
(d)
figure 3-55 : Comparaison de différentes configurations concernant l'environnementthermique du composant. (a) simple résistance thermique face arrière (0,1 K.cm2.W-1),(b) couche de cuivre (1 mm) face arrière, (c) couche de cuivre+céramique face arrière(1+1 mm), (d) couche de cuivre face avant et arrière (1 mm et 1 mm, RTH=1 K.cm2.W-1 cequi correspond à environ 1 mm de la céramique utilisée en (c)).(Tamb=300 K)
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116
L'impact des conditions limites thermiques sur l'évolution de la
température de jonction, TJONCTION, est évalué en considérant divers cas,
illustrés sur la figure 3-55. Le cas (a) correspond aux résultats présentés dans
l'étude précédente, le cas (b) intègre une couche de cuivre de 1 mm face arrière,
le cas (c) propose une succession de deux couches face arrière : 1 mm de cuivre
puis 1 mm de céramique, et le cas (d) illustre une configuration "sandwich" où
la chaleur est évacuée par les deux faces (coté source et drain), chacune via une
couche de cuivre (1 mm) suivie d'une résistance thermique de 1 K.cm2.W-1. Les
propriétés thermiques du cuivre et de la céramique utilisés sont synthétisées
dans le tableau ci-dessous :
Cuivre Céramique
Conductivité thermique [W.cm-1.K-1]
Capacité thermique volumique [J.cm-3.K-1]
3,98
3,42
0,167
2,78
L'étude est proposée pour un limiteur de longueur de canal 4 µm,
profondeur de canal 0,2 µm et dopage de canal 2¥1017 cm-3, son comportement
dans le cas d'une forme d'onde de tension présentée sur la figure 3-50 est
proposé sur la figure 3-53 et en détail sur la figure 3-54. La variation de la
tension VDS au cours du temps est la même que précédemment (figure 3-50).
Les résultats de simulations sont présentés sur la figure 3-56. L'allure
de la variation de la température de jonction, TJONCTION, varie légèrement avec
la prise en compte d'un matériau massif à la place d'une simple résistance
thermique. La configuration thermique la plus intéressante est évidemment le
cas (d), où la chaleur est évacuée par les deux faces de la plaquette de SiC.
Dans ce cas, la température de jonction atteint 550 °C à t=10 ms. Cette
réflexion est un préambule à une éventuelle encapsulation du composant, on
peut alors imaginer un boîtier à deux pattes dans un format similaire à celui
employé par ST Microelectronics pour les transils 1500 W. Les matériaux
employés doivent tenir la température, on préférera ainsi les céramiques.
Chapitre 3 : Conception d’un limiteur de courant en SiC-4H
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
117
L'étude concernant des matériaux isolants haute température est importante
pour la réalisation d'oxyde de grille ou de passivation, les deux étant contraints
à travailler à haute température (oxyde de grille du limiteur à la cote 1000 µm
de la figure 3-56 (b) est à TJONCTION).
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
400
600
800
1000
1200
sandwich : 1 mm cuivre + RTH=1 K.cm2/W (d)
1 mm cuivre + 1 mm céramique (c)
1 mm cuivre (b)
RTH=0,1 K.cm2/W (a)
T JON
CTI
ON
[K]
Temps [ms]
(a)
0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250300
350
400
450
500 Cuivre
1 ms
0,75 ms
0,5 ms
0,25 ms
SiC-4H Cuivre
Tem
péra
ture
[K
]
Profondeur [µm]
(b)
figure 3-56 : (a) Evolution de la température de jonction, TJONCTION, au cours du tempssuivant diverses conditions limites thermiques (figure 3-55), (b) répartition de latempérature suivant la profondeur (coupe 2) dans le cas (d), à t=0,25 / 0,5 / 0,75 et 1 ms.
3.2 Source de tension sinusoïdaleNous proposons ici d'évaluer le comportement électrothermique d'un
LCANAL=4 µm, LINTER=5 µm) en série sur une source de tension alternative dont
nous ferons varier la fréquence et l'amplitude (fréquence=50 Hz, 500 Hz, 5
kHz, 50 kHz, et tension crête=300 et 600 V). La condition thermique prise est
celle de la figure 3-55 (c). Nous évaluons ainsi la capacité de ce composant à
supporter un court-circuit pendant la première alternance positive.
Chapitre 3 : Conception d’un limiteur de courant en SiC-4H
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
118
0 2 4 6 8 100
100
200
300
400
500
600
700
J DS [
A/c
m2 ]
Temps [ms]
0
100
200
300
V DS [
V]
(a)
0 2 4 6 8 100
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
P J DS*V
DS [
W/c
m2 ]
Temps [ms]
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
TRTH
TJONCTION
T JONC
TIO
N, T
RTH
[K]
(b)
figure 3-57 : (a) Densité de courant et tension aux bornes du limiteurs (NCANAL=2,5¥1017
cm-3 / XJCANAL=0,2 µm / LCANAL=4 µm / LINTER=5 µm) et (b) densité de puissance ettempérature de jonction pour le même limiteur en fonction du temps pour unealternance positive 300 V / 50 Hz.
101 102 103 104 105
660
680
700
720
VDS-crête=600 V
VDS-crête=300 V
J DS-
MA
X [A
/cm
2 ]
Fréquence [Hz]
(a)
101 102 103 104 105300
600
900
1200
1500
VDS-crête=300 V
VDS-crête=600 V
T JON
CTI
ON
-MA
X [K
]
Fréquence [Hz]
(b)
figure 3-58 : (a) Densité de courantmaximale, (b) Température de jonctionmaximale et (c) puissance dissipéemaximale en fonction de la fréquence etde la tension crête pour la premièrealternance. Caractéristique du limiteur :NCANAL=2,5¥1017 cm-3 / XJCANAL=0,2 µm /LCANAL=4 µm / LINTER=5 µm.
101 102 103 104 1050
100
200
300
400
VDS-crête=600 V
VDS-crête=300 V
P J DS*V
DS-M
AX
[kW
/cm
2 ]
Fréquence [Hz]
(c)
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Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
119
La figure 3-57 montre le résultat d'une simulation électrothermique sur
le limiteur décrit précédemment, pour la première alternance d'une tension VDS
300 V / 50 Hz. La densité de courant traversant le composant sature puis
décroît avec la température. La température de jonction maximale atteinte est
d'environ 1000 K (727 °C) alors que la température coté résistance thermique
(RTH entre TRTH et Tamb) atteint 800 K (527 °C) à t=10 ms. Le calibre en
courant du composant (700 A.cm-2) étudié semble être la limite maximale que
l'on puisse tolérer avec les conditions limites thermiques utilisées (figure 3-55
(d)) en supposant que le composant agi seul pendant la première alternance.
Pour des fréquences et tensions crêtes variables (figure 3-58), le composant
choisi se comporte globalement de la même façon à 50 Hz et à 50 kHz (à 600 V
/ 50 kHz le dv/dt max est d'environ 200 V/µs), que ce soit à 300 V ou 600 V.
Le composant étudié ne parvient cependant pas à tenir 10 ms à 600 V / 50 Hz,
la température de jonction atteint 1500 K à t=6 ms. La densité de courant
maximale atteinte se rapproche de la densité de courant de saturation en
statique lorsque la fréquence augmente, la température de jonction diminuant
avec la fréquence. On devine à la vue de ces résultats l'importance des
conditions limites thermiques vis-à-vis de la réponse temporelle en température
dépendante du comportement de l'impédance thermique globale (Z) en fonction
de la fréquence.
Un limiteur de courant calibré entre 250 et 500 A.cm-2 de densité de
courant de saturation peut être alors capable de tenir un court-circuit sur une
alimentation 300-600 V / 50 Hz avec les conditions limites thermiques décrites
sur la figure 3-55 (d), ses caractéristiques sont alors : NCANAL=2-2,5¥1017 cm-3 /
XJCANAL=0,2 µm / LCANAL=4 µm / LINTER=5 µm.
Pour une efficacité de protection bidirectionnelle en tension, l'emploi
de deux limiteurs en série (montés "tête-bêche") est possible. La conduction
dans le composant, lorsque VDS est négatif, est assurée par la diode interne et le
canal non pincé.
Chapitre 3 : Conception d’un limiteur de courant en SiC-4H
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
120
4 Réalisation et contraintes technologiques
4.1 Contraintes techniquesLa réalisation d'un premier prototype utilisera des étapes
technologiques les plus simples possibles et ainsi garantir une "portabilité" de
la réalisation du composant. Nous utiliserons l'implantation ionique pour la
réalisation des couches P+ et N+ en restant dans des gammes d'implantation
compatibles avec les implanteurs standards (350 keV maximum).
L'implantation P++ pour la prise de contact sur la couche P+ est remplacée par
une gravure. L'implantation de la couche N de canal peut alors être effectuée
sans masquage, la gravure permet de réaliser la protection périphérique par
anneaux de gardes implantés en même temps que la couche P+. Les règles de
dessin adoptées autorisent une résolution minimale du masque de 3 µm, ce qui
correspondra à l'espacement minimum entre les anneaux de garde. Le jeu de
masques comporte seulement cinq niveaux. Le détail des étapes technologiques
est donné dans le chapitre suivant. La figure 3-59 montre la structure envisagée
pour la réalisation d'un prototype de limiteur de courant.
NWAFER
NEPI
P+ P+ P+ P+ P+
N++
NCANAL Anneaux de garde
figure 3-59 : Structure envisagée avec l'incorporation de la réalisation anneaux de gardeavec l'étape d'implantation P+ et la gravure de prise de contact de P+.
Chapitre 3 : Conception d’un limiteur de courant en SiC-4H
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121
4.2 Simulation de la structure et profils de dopage prévusPour le premier prototype, nous visons des densités de courant de
saturation relativement modestes correspondant à un canal de 0,2 µm dopé à
2¥1017 cm-3. Cette limitation est essentiellement due au choix relatif aux
implantations P+ et NCANAL. L'implantation P+ est la plus profonde possible, soit
une énergie d'implantation de 350 keV pour l'impureté considérée, l'aluminium.
Le pic de la distribution d'aluminium suivant la profondeur se situe
approximativement à 0,4 µm. La dose d'implantation P+ doit être la plus faible
possible pour autoriser une compensation plus aisée de la région P, située entre
la surface du SiC et le pic d'implantation P+, l'implantation d'azote réalisant la
couche NCANAL. Des simulations avec le logiciel développé par E. Morvan
[Morv'99], ont permis d'aboutir à un configuration possible d'implantation
proposée sur la figure 3-60. Le dimensionnement du canal tient compte de
l'épaisseur de SiC consommé pendant l'oxydation de grille, soit ~50 nm pour
une couche de SiO2 de 100 nm. La caractéristique électrique espérée
correspondant à LCANAL=4 µm et LINTER=5 µm est donnée sur la figure 3-61.
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1
1016
1017
1018
P+
Profil de dopage
NC
ANAL
NCANAL (azote)NEPI=5 1015 cm-3
P+ (aluminium)
Con
cent
ratio
n [c
m-3
]
Profondeur [µm]
figure 3-60 : Profil de dopage évalué par simulation [Morv'99], prise en compte de 50 nmde SiC consommés pendant l'oxydation (100 nm).
Chapitre 3 : Conception d’un limiteur de courant en SiC-4H
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
122
0 5 10 15 20 25 30 35 400
50
100
150
200
250
300
RON-SPE=20 mΩ.cm2
JDSSAT=250 A.cm-2
IDSSAT=480 mA.cm-1
VDSSAT=5 V
J DS
[A/c
m2 ]
VDS [V]
figure 3-61 : Simulation de la caractéristique électrique statique d'un limiteur dont leprofil de dopage du canal est donné figure 3-60 (LCANAL=4 µm / LINTER=5 µm / NEPI=5¥1015
Le tableau ci-dessous propose une synthèse des masques nécessaires au
processus de fabrication ainsi qu’un commentaire rapide sur leur utilisation.
Seulement six niveaux de masques sont utiles (à rapprocher des cinq
niveaux de masque du process que nous utilisons pour l’élaboration de diodes
protégées par JTE et munies d’un ‘stop channel’), dont un niveau (le premier)
servant seulement de repère visuel pour la photolithogravure.
Chapitre 4 : réalisation et caractérisation
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
127
Niveaux Nom de masque Etapes
1 ACTIVE Gravure locale (0,4 µm) pour placer les motifs sur la plaquette.
2 PCAISSON Implantation locale d’Aluminium, création de la couche P enterrée. Puis une légère oxydation
destinée à marquer les zones P ; la consommation de SiC étant plus importante sur les zones P
que sur N (probablement due à une légère amorphisation du SiC ayant vu l’implantation).
3 LCANAL Suite à une implantation pleine plaque d’Azote pour la réalisation du canal,
une seconde implantation d’Azote pour la réalisation du contact ohmique de
Source. La zone de recouvrement Ncanal et P+ définie la longueur du canal.
4 GRAVURE Gravure 0,3 µm pour prise de contact P enterrée. Préparation pour le futur court-circuit PN face
avant.
5 CONTACT Oxydation thermique (0,1 µm) puis ouverture pour contact de Source
6 METAL Métallisation locale de la face avant de la plaquette
PCAISSONLCANAL GRAVURE
CONTACT
Superposition des niveaux de masques METAL
figure 4-1 : Détails de la géométrie des masques utilisés, aperçu de la structurehexagonale des cellules actives.
Chapitre 4 : réalisation et caractérisation
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
128
1 cellule
figure 4-2 : Représentation schématique d’un limiteur à 7 cellules hexagonales. Unecoupe à travers la métallisation permet de situer les zones actives dans le semi-conducteur.
Les limiteurs à structure hexagonale incorporés sur le masque
comportent 19 cellules actives. Les composants sont déclinés en différents
types suivant leur longueur de canal, LCANAL et leur largeur intercellulaire,
LINTER.
Le tableau ci-dessous recense les valeurs choisies pour LCANAL et
LINTER ainsi que la nomenclature adoptée.
LCANAL [µm]
4 5 6
H2 H5 H84
Surface de contact de source=0,047 mm2
H3 H6 H96
Surface de contact de source=0,051 mm2
H4 H7 H0
2¥LINTER [µm]
8
Surface de contact de source=0,056 mm2
Chapitre 4 : réalisation et caractérisation
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
129
Le périmètre conducteur est le même pour toutes les structures et est
égal à 2880 µm. Les 19 cellules sont disposées comme le montre la figure 4-2,
la périphérie circulaire est composée de trois anneaux de garde espacés de 3
µm. La largeur d'un anneau est de 10 µm. 20 µm séparent le dernier anneau de
garde du "stop channel" dont la largeur est de 20 µm.
Le courant de saturation visé est d'environ 150 mA et une tension de
saturation d'environ 5 V, soit un RON de l'ordre de 30 Ω.
2 Caractérisations du run 1La plaquette utilisée provient de la société CREE Research et présente
7µm). Selon CREE, une résistivité de 0,02 Ω.cm correspond à un dopage de
7×1018 cm-3, ce qui conduit à une mobilité des électrons de 15 cm2.V-1.s-1.
La capacité du four de recuit post-implantation du CEGELY étant
limitée à une taille de plaquette de 35 mm (1,4’), nous avons été contraints de
scinder la plaquette originale en 4 quarts identiques. Seuls 3 quarts
participeront à la réalisation dont un sacrifié pour la mise au point d’étapes
telles que le marquage du P+, l’oxydation thermique, la gravure RIE. In fine,
deux quarts (quarts A et C) ont pu être menés à terme et caractérisés
électriquement.
Une caractérisation électrique systématique a été conduite sur tranche
avec une prise de contact sous pointe et une acquisition automatique des
caractéristiques I(V) à l’aide de la SMU Keithley 237 (100 mA / 100 V, soit
une puissance maximale de 10 W). La mesure du courant est effectuée à
l’équilibre thermique sous tension continue. La température interne du
composant est alors inconnue.
Chapitre 4 : réalisation et caractérisation
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
130
2.1 Caractérisation électrique du quart ALa métallisation utilisée pour la face avant du quart A se compose
d’une couche de nickel (0,2 µm, recuite à 800 °C) sur laquelle ont été déposés
successivement 0,1 µm de titane et 1 µm d’aluminium.
2.1.1 Centre de quart
Les composants des champs situés au centre du quart A présentent un
seuil de conduction d'environ 5 V. A partir d'une tension directe de 10 V, la
résistance dynamique (dv/di) augmente progressivement. Entre 40 V et 50 V, le
courant traversant le composant commence à devenir indépendant de la tension
à ses bornes et tend vers un niveau de saturation atteint entre 70 V et 80 V. Les
courbes I(V) représentées de la figure 4-3 à la figure 4-8 synthétisent les
tendances de comportement obtenues, en polarisation directe et inverse, sur un
champ représentatif (B3).
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Cou
rant
I D
S [m
A]
Tension VDS [V]
H4 H7 H0
figure 4-3 : Caractéristiques électriquesdirectes I(V) de limiteurs de types H4, H7et H0 du champ B3_A (2¥LINTER=8 µm).
-10 -8 -6 -4 -2 00
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Cour
ant
IDS
[m
A]
Tension VDS [V]
H4 H7 H0
figure 4-4 : Caractéristiques électriquesinverses I(V) de limiteurs de types H4,H7 et H0 du champ B3_A (2¥LINTER=8µm).
Chapitre 4 : réalisation et caractérisation
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
131
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Cou
rant
I D
S [m
A]
Tension VDS [V]
H3 H6 H9
figure 4-5 : Caractéristiques électriquesdirectes I(V) de limiteurs de types H3, H6et H9 du champ B3_A (2¥LINTER=6 µm).
-10 -8 -6 -4 -2 00
10
20
30
40
50
60
Cour
ant
ID
S [m
A]
Tension VDS [V]
H3 H6 H9
figure 4-6 : Caractéristiques électriquesinverses I(V) de limiteurs de types H3,H6 et H9 du champ B3_A (2¥LINTER=6µm).
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 2200
2
4
6
8
10
Cou
rant
I D
S [
mA
]
Tension VDS [V]
H2 H5 H8
figure 4-7 : Caractéristiques électriquesdirectes I(V) de limiteurs de types H2, H5et H8 du champ B3_A (2¥LINTER=4 µm).
-10 -8 -6 -4 -2 00
2
4
6
8
Cour
ant
I DS
[mA]
Tension VDS [V]
H2 H5 H8
figure 4-8 : Caractéristiques électriquesinverses I(V) de limiteurs de types H2,H5 et H8 du champ B3_A (2¥LINTER=4µm).
Les figure 4-3, figure 4-5 et figure 4-7 regroupent les caractéristiques
électriques directes obtenues pour respectivement des largeurs intercellulaires
Chapitre 4 : réalisation et caractérisation
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
132
de 8, 6 et 4 µm. Ce paramètre influe directement sur l'allure des caractéristiques
comme prévu par la simulation.
Le tableau ci-dessous propose d'exposer cette tendance en liant
intercellule et courant direct, une correspondance est aussi proposée en fonction
du courant inverse.
Largeur
intercellulaire [µm]
Gamme de courants [mA]
obtenue à VDS=100V
Gamme de courants [mA]
obtenue à VDS=-10V
8
6
4
60 – 100 et plus
10 – 70
6 - 9
40 – 70
10 – 50
1 - 8
On peut également conclure à une indépendance du comportement des
composants vis-à-vis de la longueur de canal. De plus les caractéristiques
obtenues pour les largeurs intercellulaire de 6 µm et 8 µm sont relevées après
un premier 'claquage' à environ 80 V, pour des largeurs de 4 µm ce claquage se
situe à environ 300 V. Les mesures sont ensuite reproductibles.
Il semble que les porteurs responsables du courant mesuré passent bien
entre les implantations P+ et mais la saturation est difficilement corrélable avec
la longueur de canal. Le courant inverse suit la même tendance que le courant
direct vis-à-vis de la largeur intercellulaire. Par conception, le courant inverse
est la somme du courant de la diode interne polarisée en direct et du courant
empruntant le canal non pincé. La proportion du courant passant par le canal
apparaît alors comme composante majoritaire du courant inverse, la surface
consacrée à la diode est la même pour tous les types de motif de limiteur.
Chapitre 4 : réalisation et caractérisation
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
133
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
20
40
60
80
100
120
140
160
180 H4 H7 H0
Den
site
de
cour
ant
JD
S [A
/cm
²]
Tension VDS [V]
figure 4-9 : Caractéristiques électriques directes J(V) de limiteurs de types H4, H7 et H0du champ B3_A (LINTER=8 µm).
L'extraction de la résistance dynamique (inverse de dJ(v)/dv) à partir
des courbes de la figure 4-9 indique l'apparition d'une résistance négative
(figure 4-10) pour des tensions, VDS, supérieures à 70 V et une densité de
courant minimale de 100 A.cm-2, soit une puissance dissipée d'environ 7
kW.cm-2. Cette résistance négative est sans doute caractéristique d'une
température interne importante dans le limiteur. Malgré l'inconnue sur la
température interne, la décroissance du courant observée expérimentalement
était prévue par les résultats obtenus en simulation électrothermique.
Chapitre 4 : réalisation et caractérisation
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
134
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-2,0
-1,5
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
Rés
ista
nce
dyna
miq
ue [ Ω ΩΩΩ
.cm
²]
Tension VDS [V]
figure 4-10 : Résistance dynamique en fonction de la tension pour les limiteursprésentés sur la figure 4-9. Notons l'apparition d'une résistance négative lorsque VDS>70V et JDS>100 A/cm².
2.1.2 Bord de quart
L'analyse des champs situés en périphérie du quart A dévoile un nouvel
aspect des caractéristiques directes. Le 'seuil' de conduction disparaît pour
quelques motifs (figure 4-11). La figure 4-11 propose un ensemble de
caractéristiques électriques relevées en bord de quart. Il est encore délicat
d'oser une quelconque corrélation entre la longueur de canal, la largeur
intercellule et l'allure des courbes I(V) obtenues. L'augmentation de la
résistivité du composant est souvent régulière mais peut être parfois légèrement
marquée (motifs H6 et H9 de la figure 4-11). Il n'existe pas de zone de
saturation du courant très nette par rapport aux courbes présentant un seuil de
conduction (cf. figure 4-9 ). Nous noterons également une diminution du
nombre de dispositifs présentant une résistance négative observée sur les
dispositifs à fort courant de la figure 4-9 et illustrée sur la figure 4-10. Les
meilleures caractéristiques obtenues en bord de plaquette se caractérisent par
Chapitre 4 : réalisation et caractérisation
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
135
une résistance série spécifique de 150 à 200 mΩ.cm2 et une densité de courant
de "saturation" de 150 A.cm2 à 50 V.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Cou
rant
I D
S [m
A]
Tension VDS [V]
H2 H3 H5 H6 H8 H9
figure 4-11 : Echantillonnage de quelques caractéristiques électriques directes I(V) delimiteurs de types H2, H3, H5, H6, H8 et H9, obtenues en bord de quart (A) de plaquette.
2.1.3 Caractérisation en température
Des mesures électriques sous température ambiante contrôlée (de 25 °C
à 300 °C dans le cryostat) ont été effectuées sur des limiteurs de courant avec et
sans seuil de conduction. Le résultat des mesures en température, en
polarisation directe et inverse, d'un limiteur présentant un seuil de conduction
est visible sur la figure 4-12 et la figure 4-13, et indique une augmentation du
courant "avant seuil" (VDS<7 V) en polarisation directe. Le même constat peut
être fait en polarisation inverse pour des tensions, VDS, entre 0 et –1,5 V. La
nature de ce courant de seuil pourrait alors être un courant de fuite, ce type de
courant étant généralement activé thermiquement. Une fois le seuil franchi, le
Chapitre 4 : réalisation et caractérisation
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
136
courant dans le limiteur diminue avec l'augmentation de la température
ambiante et on retrouve un comportement attendu (du moins, obtenu en
simulation), c'est à dire, une conduction par majoritaire, n, du type
J(T)=qn(T)µn(T)E.
-5 -4 -3 -2 -1 010-6
1x10-5
1x10-4
10-3
10-2
250 °C
25 °C
Cou
rant
ID
S [A
]
Tension VDS [V]
25 °C 50 °C 75 °C 100 °C 125 °C 150 °C 175 °C 200 °C 225 °C 250 °C
figure 4-12 : Caractéristiques I(V)inverse d'un 'limiteur à seuil' àdifférentes températures defonctionnement (de 25 °C à 250 °C), VDS
variant de 0 à –5 V.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500
1x10-2
2x10-2
3x10-2
4x10-2
5x10-2
250 °C
25 °C
Cou
rant
ID
S [A
]
Tension VDS [V]
25 °C 50 °C 75 °C 100 °C 125 °C 150 °C 175 °C 200 °C 225 °C 250 °C
figure 4-13 : Caractéristiques I(V) directedu même limiteur (figure 4-12)àdifférentes températures defonctionnement (de 25 °C à 250 °C), VDS
variant de 0 à 50 V.
Dans le cas d'un limiteur sans seuil de conduction, le courant diminue
avec l'augmentation de température ambiante quelque soit VDS (positive ou
négative) (figure 4-14 et figure 4-15). On peut tout de même remarquer
l'aptitude du composant à fonctionner à température élevée (300 °C par
exemple) sans présenter de signes avant-coureur de sa destruction. En
admettant que le courant varie en fonction de la température
proportionnellement à µn(T)¥n(T), en prenant comme variation de la mobilité
une fonction du type T-B, et pour n, classique en exp(-E1/(kT)) il est alors
possible avec une courbe IDS(T) à VDS=50 V, par exemple, de vérifier cette
tendance. Le résultat est exposé sur la figure 4-16 et on obtient des valeurs de
E1 et B respectivement de 47 meV et 2, valeurs de l'ordre de grandeur de ce
Chapitre 4 : réalisation et caractérisation
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
137
que la littérature donne pour le niveau donneur de l'azote (cf. Chapitre 2) et
comme coefficient de variation de la mobilité (cf. Chapitre 2).
-5 -4 -3 -2 -1 010-4
10-3
10-2
300 °C
25 °C
Cour
ant
I DS [A
]
Tension VDS [V]
25 °C 50 °C 75 °C 100 °C 125 °C 150 °C 175 °C 200 °C 225 °C 250 °C 275 °C 300 °C
figure 4-14 : Caractéristiques I(V)inverse d'un 'limiteur sans seuil' àdifférentes températures defonctionnement (de 25 °C à 300 °C), VDS
variant de 0 à –5 V.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500
1x10-2
2x10-2
3x10-2
4x10-2
300 °C
25 °C
Cour
ant
I DS [A
]Tension VDS [V]
25 °C 50 °C 75 °C 100 °C 125 °C 150 °C 175 °C 200 °C 225 °C 250 °C 275 °C 300 °C
figure 4-15 : Caractéristiques I(V) directedu même limiteur (figure 4-14) àdifférentes températures defonctionnement (de 25 °C à 300 °C), VDS
variant de 0 à 50 V.
300 350 400 450 500 550 60020
25
30
35
40 IDS=A*(T/300)-B*exp-E1*q/kT
A=263 mAB=2,17E1=47,5 meV
Cour
ant
I DS [m
A] p
our V
DS=5
0V
Température [K]
figure 4-16 : IDS(T) à VDS=50 V extrait à partir de la figure 4-15. Approximation par unmodèle en (T/300)-B¥exp(-E1/kT) pour retrouver une tendance en µn(T)¥n(T).
Chapitre 4 : réalisation et caractérisation
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
138
2.2 Caractérisation électrique du quart CL'échantillon C n'a subi que le premier niveau de métallisation, soit 0,2
µm de nickel (recuit à 850 °C).
Les limiteurs de champs de centre de quart C se comportent
globalement de la même façon que leurs homologues du quart A. On retrouve le
même seuil de conduction et la même forme de caractéristique. Cependant nous
constatons également l'absence de courant en direct (courant de fuite) sur
beaucoup de limiteurs. La périphérie est le siège de caractéristiques sans seuil
mais l'allure des courbes obtenues par quelques motifs limiteur traduit un
fonctionnement plus en accord avec la conception.
La figure 4-17 montre les caractéristiques directes de quelques
limiteurs bloqués. Le courant direct étant alors un courant de fuite il est
possible de voir le claquage de la structure. Il apparaît une augmentation de la
tension de claquage, VBR avec la diminution de la largeur intercelullaire,
2×LINTER. Nous obtenons une tension de claquage de 80 V pour des écartements
de cellule de 6 et 8 µm, tandis que pour 4 µm, VBR atteint 300 V. Cette
information est à relier aux premiers 'claquages' observés sur le quart A à des
tensions identiques.
0 50 100 150 200 250 300 350 40010-12
10-11
1x10-10
1x10-9
1x10-8
1x10-7
1x10-6
VBR=80 V
VBR=300 V
Cou
rant
ID
S [m
A]
Tension VDS [V]
2LINTER=8 µm 2LINTER=6 µm 2LINTER=4 µm
figure 4-17 : Tensions de claquages de limiteurs bloqués. Dépendance de VBR enfonction de la largeur intercellulaire, 2¥LINTER.
Chapitre 4 : réalisation et caractérisation
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
139
0 10 20 30 40 500
10
20
30
40
50
60
70
Cou
rant
I DS
[m
A]
Tension VDS [V]
H0 H2 H3 H5 H8 H9
figure 4-18 : Echantillonnage de quelques caractéristiques électriques directes I(V) delimiteurs de types H0, H2, H3, H5, H8 et H9, de 0 V à 50 V, obtenues en bord de quart deplaquette (C).
Comme on peut le voir sur la figure 4-18, la pseudo-saturation
observée se produit pour des tensions proches de celles estimées par la
simulation. L'extraction de cette tension de saturation est plus aisée sur les
courbes de la figure 4-19. En effet, nous avons groupé sur cette figure des
caractéristiques I(V) où la saturation est clairement identifiable. Les tensions de
saturation estimées à partir de ces courbes expérimentales se situent entre 5 V
et 10 V (valeur visée : 7 V). Cependant, le courant de saturation obtenu figure
4-19 (inférieur à 1 mA) reste en dessous du domaine espéré (150 mA). Le RON
correspondant est également très différent et se situe entre 13 kΩ et 6 kΩ (30 Ω
visé). Pour ces caractéristiques à très faible niveau de courant, la puissance
dissipée est au mieux 50 mW, rendant ainsi plausible l'hypothèse d'une
température interne peu différente de l'ambiante (25 °C).
Chapitre 4 : réalisation et caractérisation
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
140
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Cou
rant
ID
S [m
A]
Tension VDS [V]
H0 H5 H6 H7 H9
figure 4-19 : Caractéristiques I(V) obtenues en périphérie de quart C et montrantclairement une saturation du courant pour des valeurs de tensions compatibles avec laconception.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
1
2
3
4
5
Cour
ant
I DS [
mA]
Tension VDS [V]
H8 H6
figure 4-20 : Caractéristiques I(V) de limiteurs H8 et H6 en périphérie de quart C.
Chapitre 4 : réalisation et caractérisation
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
141
2.3 Discussion des résultats obtenusL'analyse électrique des motifs de test présents sur les plaquettes ainsi
que des analyses physiques de type SIMS (Secondary Ion Mass Spectroscopy)
permettent d'isoler chaque composante technologique des limiteurs et
d'apporter des informations sur son mode de fonctionnement. Le suivi de la
réalisation des étapes technologiques introduit d'autres éléments d'analyse sur
l'architecture réelle des composants.
2.3.1 Motifs de tests électriques
Les tests électriques effectués ont été réalisés sur le quart C. La
disparition de la métallisation sur la plupart des motifs de test du quart A ne
nous a pas permis d'obtenir d'informations, si ce n'est sur la qualité de
l'adhésion de la métallisation sur le SiC.
2.3.1.1 Diode bipolaire
figure 4-21 : Schéma de la diode bipolaire de test. Nous avons représenté sa périphérieainsi que le début de l'émetteur.
Chapitre 4 : réalisation et caractérisation
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
142
Un motif de diode P+/NEPI permet de caractériser le comportement de
la diode interne du limiteur ainsi que l'efficacité de protection des anneaux de
garde. La figure 4-22 montre la caractéristique directe d'une diode du quart C,
figure 4-22 : Caractéristique J(V) directe de la diode interne des limiteurs (diode duchamp B3 du quart C).
Le comportement de cette diode 'bipolaire' se rapproche plutôt de ce
que l'on peut observer dans la famille des diodes Schottky sur SiC [Kimo'97].
Le début d'injection de porteurs se situe à 0,8 V (figure 4-22), le régime résistif
est atteint à 1,6 V où la densité de courant est d'environ 40 A.cm-2. A 2,4 V, la
densité de courant directe est de 180 A.cm-2. Sa tenue en tension est de 470 V
comme il est possible de le lire sur la figure 4-23.
La densité de courant inverse mesurée à 100 V est de l'ordre de 0,1
µA/cm2. La résistance série dynamique mesurée est de 4,5 mΩ.cm2 (8 Ω). Le
caractère Schottky de la diode interne laisse supposer que la gravure réalisée
pour la prise de contact sur le P+ a été trop profonde et, de ce fait, a conduit à
un contact Ni sur NEPI. Le troc d'une diode pn P+/NEPI contre une diode
schottky Ni/NEPI n'est pas rédhibitoire, à la vue de ses performances, pour le
fonctionnement du limiteur.
Chapitre 4 : réalisation et caractérisation
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
143
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 5001E-9
1E-8
1E-7
1E-6
1E-5
1E-4
1E-3
0,01
0,1
dens
ité d
e co
uran
t [A/
cm²]
tension [V]
diode b3
figure 4-23 : Caractéristique J(V) inverse de la diode interne des limiteurs. VBR=470 V(diode du champ b3 du quart C).
2.3.1.2 Résistance du contact Ni/N++ et de la couche NCANAL/P+.Des motifs TLM ont été prévus pour mesurer la résistance du contact
Ni/N++ ainsi que celle de la couche NCANAL/P+. Ces mesures correspondent au
quart C. Nous obtenons une résistance de contact Ni/N++ d'environ 3 mΩ.cm2
équivalent à ce qu'obtient [Naka'00] sur 6H avec un recuit de contact nickel
entre 800 et 900 °C (figure 4-24). La résistance carrée de la couche N++ est
estimée à 150 Ω/ ce qui très faible par rapport à la littérature (minimum 500
Ω/), l'incertitude sur la mesure est importante (~100 %) liée à la valeur élevée
de la résistance de contact.
Il est alors possible d'estimer la résistance de la couche NCANAL/P+ avec
le motif TLM associé. Seul un écartement de plots de 5µm permet d'obtenir un
comportement résistif et ainsi d'obtenir la résistance de la couche concernée.
Chapitre 4 : réalisation et caractérisation
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
144
Nous obtenons une résistance moyenne de 2 kΩ. Celle-ci varie beaucoup d'un
champ à l'autre et peut atteindre des valeurs indécentes qui supposent un canal
d'épaisseur très réduite, voire même sa disparition dans les cas où la conduction
est très faible à basse tension.
figure 4-24 : Représentation du quart C avec la résistance de contact Ni/N++ (en mΩΩΩΩ.cm2)
indiquée pour chaque champ.
plot nickel
N++NCANAL
P+
gravure
figure 4-25 : Représentation d'un détail du motif TLM pour le test de la résistivité de lacouche NCANAL/P+.
Les figure 4-26, figure 4-27 et figure 4-28 proposent une cartographie
de la résistance de canal mesurée ainsi que des caractéristiques I(V) typiques
Chapitre 4 : réalisation et caractérisation
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
145
des comportements rencontrés. Une zone indiquée par les champs grisés de la
figure 4-26 regroupe les régions où le canal n'est pas conducteur (ou très
résistif). Cependant la conduction s'amorce avec l'augmentation de la tension.
La symétrie de la structure conduit à une symétrie en tension. Deux hypothèses
sont alors plausibles : une conduction via la couche P+, ou, le claquage du canal
initialement 'obstrué' par zone de charge d'espace due au Vbi. La répartition de
cette zone semble suivre le bord de la plaquette originale. Cette remarque
cavalière mériterait des mesures complémentaires sur le quart A, ce qui est
délicat en l'absence de métallisation sur les motifs de test.
-4 -2 0 2 4-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
Cou
rant
[µA
]
Tension [V]
nca_5_b3_c.iv
figure 4-27 : Illustration de l'allure d'unecaractéristique I(V) dans le cas d'uneconduction dite 'bloquée'
figure 4-26 : Cartographie de larésistance en ohms de la régionNCANAL/P+ sur motif TLM du quart C(longueur : 5 µm, largeur : 100 µm). Unerégion de forte résistivité voire mêmede non conduction de cette couchesemble se dessiner et suivre le bordoriginal de la plaquette.
-1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
R=2470 ΩΩΩΩ
Cou
rant
[µA
]
Tension [V]
nca_5_a1_c.iv
figure 4-28 : Cas d'une conduction detype résistif.
L'évalution de la résistivité de la couche NCANAL/P+ (figure 4-26)
couplée aux mesures SIMS (cf §2.3.1.3) permet une extraction grossière de la
Chapitre 4 : réalisation et caractérisation
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
146
mobilité des électrons de cette couche. En supposant une section de passage du
courant, S, de 0,1¥100 µm2, une résistance moyenne de couche, R, de 1500 Ω,
un dopage moyen de 2¥1017 cm-3 (figure 4-32), on peut extraire µn par la
relation :1
nSRµ qnL
− =
,
soit µnª 100 cm2.V-1.s-1 (avec L=5 µm et n=2¥1017 cm-3). Cette valeur
est faible comparée à celle esperée en simulation (300-400 cm2.V-1.s-1).
2.3.1.3 Analyse SIMS – profils d'impuretéLes analyses SIMS (Secondary Ion Mass Spectroscopy) ont permis
d'obtenir les profils d'impuretés aluminium et azote présents effectivement dans
le SiC à la fin du processus de fabrication décrit précédemment. L'obtention des
profils d'aluminium des quarts A et C, respectivement tracés, figure 4-29 et
figure 4-30, en fonction de la profondeur permet d'obtenir une estimation de la
profondeur de gravure effectuée pour la prise de contact sur la zone P+.
Il apparaît clairement que ces gravures ont dépassé les pics
d'implantation d'aluminium et ont atteint la queue de canalisation. Des
profondeurs de gravure de quelques 0,6 µm pour le quart A et 0,4 µm pour le
quart C peuvent être déduites respectivement de la figure 4-29 et de la figure
4-30. De plus, une erreur sur le tilt (8° contre 0° prévu) et des rotations
différentes entre les quarts A et C expliquent les différences importantes sur les
profils d'implantations. L'écart entre le pic d'implantation obtenu en simulation
et celui du profil du quart C indique la quantité, en µm, de SiC-4H consommée
par le marquage du P+ et l'oxydation, en supposant que la configuration de
recuit utilisée ne soit pas responsable d'une quelconque gravure de la surface du
SiC. Le simulateur est calibré pour l'aluminium et l'azote, et permet d'obtenir
des résultats fiables en terme de profils d'impuretés.
La comparaison entre le profil simulé et le profil SIMS pour
l'aluminium conduit à une différence d'environ 0,13 µm. La figure 4-31 donne
Chapitre 4 : réalisation et caractérisation
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
147
un écart de 0,08 µm entre le profil d'azote simulé et le profil SIMS obtenu sur
le quart C. Il semble alors que 80 nm de SiC aient été consommés par
l'oxydation thermique (grille) et, environ 50 nm, par le marquage du P+ par
oxydation en début de process.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,41016
1017
1018Simulation
SIMS Al avec gravure
SIMS Al sans gravure
Profondeur [µm]
Con
cent
ratio
n [c
m-3
]
B4A2 B4A3 B
figure 4-29 : Comparaison des profilsd'aluminium donnés par simulation etanalyses SIMS sur le quart A, avec ousans gravure de prise de contact sur lacouche P+.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,41016
1017
1018simulation
SIMS Al avec gravure
SIMS Al sans gravure
Profondeur [µm]
Con
cent
ratio
n [c
m-3
]
figure 4-30 : Comparaison des profilsd'aluminium donnés par simulation (avecet sans décalage de 130 nm) et analysesSIMS sur le quart C, avec et sans gravurede prise de contact sur la couche P+.
sims B2 (C) simul -80 nm profil par C(V) (a2_c) profil par C(V) (c3_c)
figure 4-31 : Comparaison des profils d'azote donnés par simulation, analyse SIMS etextraction via C(V) de la couche NCANAL seule.
Chapitre 4 : réalisation et caractérisation
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
148
Des mesures par C(V) ont permis d'obtenir une partie du profil de
dopants de type donneurs présents dans la couche NCANAL seule, c'est-à-dire,
sans la présence de la couche P+. La figure 4-31 situe les résultats de mesure
C(V) par rapport aux profils d'azote obtenus par simulation et par SIMS, et
renseigne sur l'efficacité du recuit sur l'activation de l'azote. En prenant le
profil SIMS comme référence, 80 % à 90 % de l'azote implanté est devenu un
dopant de type N [Laza'01]. L'activation de l'aluminium généralement obtenue
avec notre configuration de recuit est du même ordre, de 80 % à '100 %'
[Laza'01]. Le profil de dopage possible pour la couche NCANAL/P+ est proposé
sur la figure 4-32. Une approximation du profil de dopant dans le canal par un
niveau constant de 2¥1017 cm-3 sur 0,1 µm semble une simplification
raisonnable de la structure interne du quart C. Une incertitude persiste
cependant sur les premiers nanomètres de canal masqués par le transitoire de
surface, inhérent à l'analyse SIMS.
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
1016
1017
1018
P+
NC
ANAL
Con
cent
ratio
n [c
m-3
]
Profondeur [µm]
profil de dopage SIMS al SIMS azote NEPI
figure 4-32 : Profil de dopage en fonction de la profondeur extrait à partir des profilsSIMS et en tenant compte d'une activation de 100 % (quart C).
Chapitre 4 : réalisation et caractérisation
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
149
2.3.1.4 Charges à l'interface SiO2/NEPI et SiO2/NCANALLa caractérisation par C(V) de capacité MOS sur la couche NCANAL et
la couche épitaxiée a permis de déterminer le niveau moyen de dopage sous
l'oxyde. Il en résulte des valeurs moyennes de 4¥1015 cm-3 et d'environ 4¥1017
cm-3 pour, respectivement, les niveaux de dopage de l'épitaxie (3,8¥1015 cm-3
selon CREE research) et de la couche NCANAL. L'extraction des charges
présentes dans l'oxyde est également envisageable à partir des courbes C(V)
(figure 4-33, figure 4-34). Nous donnons ici une extraction grossière des
charges globales, Qeff, dues à l'oxyde et à l'interface SiO2/NEPI ou SiO2/NCANAL.
Se dégage tout de même une nette tendance : soit environ –1011 cm-2 pour la
dose de charges extraite de la capacité MOS sur NEPI contre les quelques –
1,5¥1012 cm-2 de son homologue sur la couche NCANAL. La couche d'oxyde sur
la couche NCANAL est obtenue sur une surface perturbée par le recuit post-
implantation alors que l'oxyde sur l'épitaxie croît sur une surface résultant de la
gravure de prise de contact sur le P+, soit 0,4 µm pour le quart C et 0,6 µm pour
le quart A. Il semble important de graver une couche de SiC après recuit post-
implantation. En effet, les 10 ou 20 premiers nanomètres de SiC après le recuit
post-implantation sont de qualité cristalline discutable [Morv'98] [Laza'00].
-15 -10 -5 0 50
10
20
30
40
50
60
70
eox=89 nmNox= -1 1011 cm-2
(Dit= 0)NEPI=4,1 1015 cm-3
Cap
acité
MO
S su
r NEP
I [p
F]
Tension de Grille [V]
champ A3
figure 4-33 : C(V) de capacité MOS surla couche NEPI (eOX=89 nm, NOX=-1011
cm-2 / NEPI=4,1¥1015 cm-3).
-15 -10 -5 0 5 10 1540
50
60 eox=87 nmNox= - 1,5 1012 cm-2
(Dit= 0 )NSUB=3,5 1017 cm-3
Cap
acité
MO
S su
r NC
ANAL
[pF]
Tension de Grille [V]
champ C3
figure 4-34 : C(V) de capacité MOS surla couche NCANAL (eOX=87 nm, NOX=-1,5¥1012 cm-2 / NCANAL=3,5¥1017 cm-3).
Chapitre 4 : réalisation et caractérisation
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
150
2.3.1.5 Observations au microscope optique et au MEBUne analyse visuelle au microscope optique des quarts de plaquette
avant et après recuit post-implantation a esquissé une remarque importante sur
la modification de l'état de surface du SiC. Les figures ci-dessous (de la figure
4-35 à la figure 4-38) sont des photographies prises avant (à gauche) et après (à
droite) le recuit 1700 °C/30 mn d'une même région d'un limiteur.
figure 4-35 : Photographie d'un détaild'un motif limiteur (H7) du champ C2 duquart C avant recuit 1700 °C/30 mn
figure 4-36 : Photographie d'un détaild'un motif limiteur (H7) du champ C2 duquart C après recuit 1700 °C/30 mn
figure 4-37 : Photographie d'un détaild'un motif limiteur (H4) du champ C1 duquart C avant recuit 1700 °C/30 mn
figure 4-38 : Photographie d'un détaild'un motif limiteur (H4) du champ C1 duquart C après recuit 1700 °C/30 mn
Chapitre 4 : réalisation et caractérisation
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
151
Avant Recuit, les régions implantées N++ sont marquées par un rendu
blanchâtre au microscope optique, par rapport au gris de l'implantation P+. Le
marquage du P+ est visible et situe ainsi les régions intercellulaires légèrement
en relief. Après recuit, la plaquette reprend son aspect d'origine (translucide) et
seul les régions implantées N++ restent identifiables grâce à un aspect de
surface grumeleux laissant présager une rugosité importante [Orto'01]. Sur la
figure 4-38, il est possible de voir même une disparition locale de ces marques
et on devine à la place une surface 'propre'. Il semble ainsi que cette aspect
'peau d'orange' soit symptomatique d'une couche de SiC de qualité très
différente du reste et sans doute amorphe. La disparition par micro-plaques de
cette couche est visible en périphérie de quart et est peut être due à un contexte
thermique différent avec le centre de quart pendant le recuit. La figure 4-39
montre un détail d'un limiteur vu par microscopie électronique à balayage
(MEB). La région choisie est le contact Ni/N++ entourant la gravure de prise de
contact sur P+, la couche de Ni semble "recopier" l'état de surface évoqué
précédemment et la gravure a également conservé l'état de surface observé. La
figure 4-40 est une photographie MEB prise sur un limiteur gravement touché
par une ablation locale de la couche de Ni.
figure 4-39 : Photographie MEB ducontact Ni/N++ et de la gravure de prisede contact P+.
figure 4-40 : Photographie MEB d'unlimiteur raté et permettant ainsi l'accèsvisuel sous la couche de Ni.
Chapitre 4 : réalisation et caractérisation
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
152
On devine ainsi la surface de l'oxyde et du SiC sous le nickel et, outre
un constat de désalignement marqué, la confirmation que l'aspect du N++ après
recuit est responsable de l'aspect crevassé de la couche de nickel réalisant le
contact Ni/N++. Il est difficile de savoir si cela nuit au fonctionnement du
composant. Des cas similaires ont déjà été évoqués [Orto'01] et ne semblent pas
pénaliser le dispositif.
2.3.2 Interprétations et hypothèses de fonctionnement
Ci-dessous sont résumées les informations données par les différentes
caractérisations menées:
Quart A et C:
Conduction avec ou sans seuil
Dépendance du courant direct en fonction de la largeur
intercellule
Pseudo claquage dépendant de la largeur intercellulaire
Indépendance vis-à-vis de la longueur de canal
Quart A:
Métallisation défectueuse sur le quart A
Quart C:
Dépendance de la tension de claquage en fonction de la largeur
intercellule
Résistance de contact Ni/N++ de 3 mΩ.cm2 sur le quart C
Consommation de 50 nm de SiC par le marquage du P+
Consommation de 80 nm ? de SiC par l'oxydation thermique
(épaisseur oxydeª90 nm)
Canal de 2¥1017 cm-3 sur 0,1 µm
Chapitre 4 : réalisation et caractérisation
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
153
Charge oxyde et interface SiO2/(NCANAL/P+) de l'ordre de 1,5-
2¥1012 cm-2
Diode Schottky à la place d'une diode pn
Le mode de conduction dans les limiteurs peut être discuté avec les
informations obtenues par la caractérisation électrique et par l'analyse SIMS.
Les cinq hypothèses directes sont exposées sur la figure 4-41 et explicitées ci-
dessous :
1. Conduction 'normale' via le canal, avec et sans seuil,
2. Claquage de la diode interne,
3. Claquage de l'oxyde thermique,
4. Claquage du NPN interne (ou amorçage du NPN),
5. Claquage en bord de P+, au niveau de l'intercellule.
figure 4-41 : Diverses hypothèses de conduction au sein des limiteurs.
Chapitre 4 : réalisation et caractérisation
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
154
2.3.2.1 Hypothèse 2 : diode interneLes caractérisations de la diode interne proposées au paragraphe
2.3.1.1 (page 141) montrent une bonne tenue en tension de celle-ci. Sa
contribution au courant à VDS<0 V est, par contre, certaine. La surface réservée
à cette diode est la même pour chaque type de limiteur. Sa participation au
courant inverse est donc identique pour tous les motifs (pas en densité de
courant).
0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,01015
1016
1017
1018
Profil de dopagepossible
Conc
entra
tion
[cm
-3]
Profondeur [µm]
Nepi SIMS Alu Simul N++ (-80nm) SIMS azote
figure 4-42 : Profil de dopage possible pour l'anode de la diode bipolaire. Concentrationde surface de 1017 cm-3 et une profondeur de jonction de 0,1 µm.
Son anode P+ est atrophiée comme on peut l'estimer d'après les
analyses SIMS (figure 4-42) et procure ainsi une possible explication de son
faible seuil de conduction (1 V) relativement à une pn classique sur SiC-4H
[Mitl'97] et de son faible courant de fuite, par rapport à une vraie Schottky
[Itoh'97]. Le résultat est une diode hybride (Schottky-pn) : plutôt Schottky en
direct et bipolaire en inverse. Une tentative de Schottky sur SiC-4H de type p
avec une implantation d'azote en surface a été réalisée [Khem'00], mais, compte
tenu des doses utilisées (3¥1014 cm-2 et 8¥1013 cm-2), la diode obtenue
ressemble plus à une diode bipolaire qu'à une Schottky (seuil de 1,5 V à 2 V).
Chapitre 4 : réalisation et caractérisation
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
155
2.3.2.2 Hypothèse 3 : Claquage de l'oxydeLes capacités MOS présentent un faible courant de fuite et tiennent la
tension. L'épaisseur d'oxyde est d'environ 90 nm. La tension de claquage
mesurée (oxyde + épitaxie) est d'environ 500 V, très semblable à celles
obtenues pour les diodes (environ 450 V). De plus, le claquage se produit en
périphérie, les motifs n'étant pas protégés.
2.3.2.3 Hypothèse 4 et 5 : NPN interneLes tests de caractérisation du NPN interne ont été effectués en
polarisant un plot des motifs TLM représentés sur la figure 4-25 par rapport à
la face arrière. Nous obtenons ainsi l'isolation du transistor NPN (N++/P+/NEPI)
concerné. Dans cette configuration, sa protection périphérique est une gravure
d'environ 1 µm. La figure 4-43 illustre ce qu'il est possible d'envisager comme
structure interne du transistor: un émetteur N++ de 0,2 µm, une base flottante P+
de 0,3 µm et un collecteur N (NEPI).
0,0 0,2 0,4 0,6
1016
1017
1018
1019
1020
P+
N++
Con
cent
ratio
n [c
m-3
]
Profondeur [µm]
profil de dopage SIMS al Simul N++ (-80 nm) SIMS azote NEPI
figure 4-43 : Profil de dopage possible sous l'azote forte dose (3¥1015 cm-2) utilisé pourle contact ohmique Ni/N++.
Chapitre 4 : réalisation et caractérisation
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156
La figure 4-44 montre une caractéristique électrique I(V) sous VCE
négatif. Nous obtenons ainsi la tension de claquage en VCEO (polarisation sous
VCE base flottante) d'un transistor bipolaire dont l'émetteur est NEPI, et le
collecteur N++. Dans le cas de VCE positif (cas de polarisation directe des
limiteurs), nous mesurons le BVCEO d'un transistor bipolaire dont l'émetteur est
N++ et le collecteur NEPI. Les caractéristiques I(V) (figure 4-44 et figure 4-45)
donnent des tensions BVCEO de –6 V et de 300 V (claquage destructif à 550 V).
0 -2 -4 -6 -8 -100,00
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
BVCEO=6V
quart C
Cour
ant
I DS
[A]
Tension VDS [V]
figure 4-44 : Caractéristique I(V) inverse(au sens de VDS) du NPN interne
0 100 200 300 400 500 600
2,0x10-5
4,0x10-5
6,0x10-5
8,0x10-5
1,0x10-4
BVTH=550 V
BVCEO=300 V
Cou
rant
IDS
[A
]
Tension VDS [V]
figure 4-45 : Caractéristique I(V) directe(au sens de VDS) du NPN interne
La bonne tenue en tension de la jonction P+/NEPI permet d'écarter
l'hypothèse d'une conduction seule du limiteur par claquage en VCEO du
bipolaire parasite, ce qui ne signifie pas que son action puisse être écartée. Il
est envisageable que certains fonctionnements observés soient liés uniquement
au NPN parasite, notamment ceux montrant un seuil de conduction. Une vue
interne du limiteur présentée sur la figure 4-46 permet de situer le NPN interne
dans la structure du composant ainsi que la provenance des courant collecteur,
base et émetteur. Nous étudions alors différentes conditions d'amorçage du
NPN parasite.
Chapitre 4 : réalisation et caractérisation
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
157
P+
N++ N+
N
Source
N+
Drain
IC
IE IMIB
RB
ID
IS
RC
IB
figure 4-46 : Schéma de principe de l'amorçage du NPN parasite au sein du limiteur.
Conditions d'amorçage du NPN interne:
L'émetteur et la base son court-circuités, la mise en conduction ne peut
être que déclenchée par l'apparition d'un potentiel positif (par rapport à la
source) du à la circulation d'un courant de base, IB, dans la couche P+. Le
courant IB provient d'une injection de trous générés par la multiplication due à
l'ionisation par impacts dans la ZCE de la jonction P+/NEPI en inverse.
Le potentiel local dans la base s'écrit donc:
VB=RB¥IB
La résistivité de la base peut être estimée avec le profil SIMS, en
simplifiant on peut dire approcher la structure de la base par un dopage
uniforme de 1018 cm-3 sur 0,2 µm. ce qui conduit à:
soit, pour atteindre VB=2 V, une densité de courant de:
JB=VB/(LB¥ρΒ)ª2000 A.cm-2 (LB=15 µm, longueur de base)
Chapitre 4 : réalisation et caractérisation
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158
Cette valeur est beaucoup plus élevée que celles obtenues en
simulations (~1 A.cm-2 à VDS=600 V), et le domaine de tension concerné est
limité à 100 V pour la plupart des caractéristiques expérimentales.
Supposons maintenant une résistance de contact Ni/P+ importante, et
évaluons sa valeur avec une densité de courant de base d'amorçage de 1 A.cm-2,
soit.
RC=VB/JB-LB¥ρΒª2 Ω.cm2
Cette valeur est tout à fait possible d'autant plus que, d'après l'analyse
de la diode interne et des profils SIMS sur les zones gravées, le contact sur la
couche P+ serait essentiellement latéral, entre le nickel du flanc de gravure et
l'affleurement de P+. Cette hypothèse conduit à un amorçage du NPN parasite
sur toute la largeur de base puisque celle-ci sera entièrement à au moins +2V
par rapport à la source. Or, la largeur de base est la même pour tous les types de
limiteur, le courant obtenu devrait être, par conséquent, le même ce qui n'est
pas en accord avec les caractéristiques expérimentales obtenues.
2.3.2.4 Hypothèse 1 : conduction via le canalLes caractérisations électriques ont montré que la conduction pouvait
être liée à un fonctionnement classique du composant, c'est le cas des
caractéristiques de la figure 4-47 où aux conséquences d'un pseudo claquage
donnant les caractéristiques de la figure 4-48. Le passage d'une caractéristique
à l'autre peut être observé lorsqu'on monte en tension, c'est le cas du composant
dont une succession de trois mesures est présentée sur la figure 4-49. Une
hypothèse possible est un couplage entre une conduction rendue difficile par les
charges à l'interface SiO2/SiC et une variation de potentiel de la région P+ du
aux charges positives (les trous) introduits par multiplication (due au pic de
champ électrique).
Chapitre 4 : réalisation et caractérisation
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
159
Sur la figure 4-47, les caractéristiques sans seuil de conduction
témoignent d'un composant normalement passant mais le niveau de courant est
affecté par la densité de charges à l'interface SiO2/SiC (~1-2¥1012 cm-2), la
dose présente dans le canal étant du même ordre de grandeur. Suivant les
variations technologiques sur la plaquette (plus ou moins de charges à
l'interface SiO2/SiC et dose dans le canal variable), le composant peut conduire
à basse tension.
La saturation plus ou moins nette peut provenir du claquage progressif
de la ZCE du aux charges à l'interface SiO2/SiC, à une variation de potentiel du
caisson P+ ou à un effet de diminution de la longueur de canal par percement
local en fin de couche P+, ou par défauts d'alignement lors de la réalisation. La
succession de caractéristiques relevées sur la figure 4-49 semble illustrer ces
multiples composantes de l'ouverture forcée du canal, sans pourvoir les
dissocier.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Cou
rant
IDS
[mA
]
Tension VDS [V]
H0 H5 H6 H7 H9
figure 4-47 : Caractéristiquesclassiques : absence de seuil etsaturation visible.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
20
40
60
80
100
120
140
160
180 H4 H7 H0
Den
site
de
cour
ant
JD
S [A
/cm
²]
Tension VDS [V]
figure 4-48 : Caractéristiques montrantun seuil de conduction.
Chapitre 4 : réalisation et caractérisation
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
160
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
20
40
60
80
100
3
21
H7 (LINTER=6 µm)
Cou
rant
I D
S [mA
]
Tension VDS [V]
figure 4-49 : Succession de trois mesures effectuées sur le même composant (H7). Lapremière mesure (1) jusqu'à VDS=50 V, seconde mesure (2) pseudo calquage à 80 V, puistroisième mesure (3), mélange de caractéristiques de la figure 4-47 et de la figure 4-48.
La figure 4-50 synthétise plusieurs caractéristiques d'un même
composant limiteur normalement passant. La première mesure a été effectuée
avec la SMU Keithley 237 jusqu'à 100 V (tension continue), puis deux autres
on été successivement faites avec le traceur de caractéristiques Tektronix 370
(tension alternative redressée), la première jusqu'à 50 V et la seconde jusqu'à
200 V.
Le niveau de courant obtenu augmente avec l'historique des mesures :
mesure 1, 5 mA à 100 V, mesure 3, 9 mA à 100 V. Cette augmentation peut
être attribuée à une modification de la résistance de contact Ni/N++, celle-ci
s'améliore avec l'augmentation de l’intensité du courant la traversant.
Chapitre 4 : réalisation et caractérisation
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
161
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2000
2
4
6
8
10
H8, intercellule=4 µm
mesure keithley SMU
mesure tektro 1
mesure tektro 2
Cou
rant
[m
A]
Tension [V]
figure 4-50 : Succession de mesures effectuées sur un limiteur normalement passant detype H8 (intercellule=4 µm). Comparaison de mesures effectuées avec un traceur decaractéristiques Tektronix 370 (alternatif redressé) et la courbe obtenue avec la KeithleySMU 237 (continu).
Sur la figure 4-51, la seule caractéristique de ce type relevée sur un
limiteur de type H5 (longueur de canal=5 µm, intercellule= 4 µm) sur un champ
de bord de quart C. La caractéristique obtenue est effectuée point par point à
l'équilibre thermoélectrique.
On observe une faible résistance série spécifique de 15 mΩ.cm2 ainsi
qu'une densité de courant de saturation de 670 A.cm-2. La caractéristique
obtenue est au-delà des prévisions (250 A.cm-2) et est sans doute due à une
longueur de canal faible (<2 µm) conséquence de désalignements lors des
photolithogravures relatives à l'implantation N++ et à l'ouverture de l'oxyde.
L'incidence de l'augmentation de la température interne sur le courant est
visible.
Chapitre 4 : réalisation et caractérisation
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
162
0 10 20 30 40 50 60 70 800
100
200
300
400
RON=15 mΩ.cm2PJ*V=37 kW.cm-2
670 A.cm-2
180 A.cm-2
Destruction
mesure tektro 370
Cou
rant
ID
S [m
A]
Tension VDS [V]
figure 4-51 : Mesure avec le Tektro 370, Chaque point est relevé à l'équilibreélectrothermique pour des tensions variant de 0 à 78 V, la destruction du composant estobservée à 78 V et 470 A.cm-2 soit une puissance maximale de 37 kW.cm-2, ou, enalternatif redressé, une puissance moyenne de 19 kW.cm-2.
Le composant présenté sur la figure 4-51 est détruit après la mesure et
une puissance moyenne dissipée de presque 20 kW.cm-2. Cette mesure confirme
la capacité des composants en carbure de silicium à dissiper de fortes
puissances (10 kW.cm-2) tout en conservant leur fonctionnalité.
L'hypothèse d'un conduction par le canal semble être la plus probable.
Les obstacles conduisant à des caractéristiques diverses semblent être dus aux
charges à l'interface SiO2/SiC en densité suffisante pour bloquer ou moduler la
conduction du canal déjà réduit par rapport à l'épaisseur visée (0,1 µm à la
place de 0,15-0,2 µm pour 2¥1017 cm-3), une résistance de contact instable et
des aléas d'alignement de photolithogravures rendant la corrélation des résultats
expérimentaux avec les paramètres technologiques telle que la longueur de
canal impossible. Seul l'écartement entre les cellules a un impact sur le
comportement des composants limiteurs de courant que ce soit sur le niveau de
courant ou sur le champ électrique en fin de caisson P+. Il semble qu'un
Chapitre 4 : réalisation et caractérisation
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
163
espacement de 4 µm implique une intervention du JFET parasite, ce qui est à
rapprocher des résultats de simulations concernant l'impact de l'intercellule.
Les données expérimentales recueillies et leurs interprétations
permettent d'établir une série de corrections technologiques en vue de la
réalisation d'un second prototype avec le même jeu de masque.
3 Second "RUN"Les modifications retenues pour le second prototype sont :
1. Implantation P+ plus profonde avec une dose plus élevée. Elle était
de 350 keV / 4¥1013 cm-2 pour le premier prototype, elle est de 500
keV / 1014 cm-2 pour le second.
2. Diminution de la dose d'implantation pour la région N++. Elle était
de 3¥1015 cm-2 pour le premier, elle est de 9¥1014 cm-2 pour le
second.
3. Suppression de l'étape de marquage de la zone P+ par oxydation
sacrificielle.
4. Gravure "pleine plaque" de 40 nm après le recuit post-implantation.
5. Epaisseur d'oxyde réduite à ~50 nm.
Les mesures 1, 3 et 4 visent une augmentation de l'épaisseur de canal
par rapport au premier prototype et l’obtention de 0,2-0,25 µm. L'augmentation
de la profondeur d'implantation autorise une plus grande liberté dans le choix
de l'implantation du canal.
Les points 4 et 5 ont pour but de réduire la densité de charges à
l'interface SiO2/SiC. L'implantation du canal est sensiblement la même, les
doses correspondant aux faibles énergies sont légèrement augmentées. La
configuration d'implantation du canal est résumé dans le tableau ci-dessous :
Chapitre 4 : réalisation et caractérisation
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164
RUN 1 RUN 2
180 keV / 5¥1012 cm-2
150 keV / 2,5¥1012 cm-2
120 keV / 2¥1012 cm-2
80 keV / 1,6¥1012 cm-2
50 keV / 1,2¥1012 cm-2
30 keV / 0,5¥1012 cm-2
180 keV / 5¥1012 cm-2
150 keV / 2,5¥1012 cm-2
120 keV / 2,5¥1012 cm-2
80 keV / 2,4¥1012 cm-2
50 keV / 2¥1012 cm-2
30 keV / 2¥1012 cm-2
La figure 4-52 propose la configuration de dopage évaluée par
simulation pour le second prototype, elle conduit à un canal de 0,2-0,25 µm
dopé à 2-2,5¥1017 cm-3 (en dose : 4-6¥1012 cm-2).
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,01016
1017
1018
1019
P+
NCANAL
Profil de dopage(Simulation)
Implantation Aluminium(Simulation)
Implantation Azote(Simulation)
Con
cent
ratio
n [c
m-3
]
Profondeur [µm]
figure 4-52 : Profils de dopage envisagés à partir de simulations d'implantations avec lelogiciel développé par E. Morvan [Morv'99], en tenant compte d'une gravure de 40 nm etd'une consommation de 25 nm de SiC par l'oxydation de grille (50 nm). Le canal prévu aune profondeur de 0,2-0,24 µm et un dopage de 2-2,5¥1017 cm-3.
Chapitre 4 : réalisation et caractérisation
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
165
3.1 Caractéristiques JDS(VDS)Les mesures des limiteurs (figure 4-53) montrent des caractéristiques
atteignant 800 A.cm-2 de courant de saturation pour les meilleurs composants.
Le contact Ni/N++ n'est pas recuit, les courbes présentent donc un seuil faible
de conduction (1-2 V) qui disparaît lors du recuit de métallisation.
L'effet d'une augmentation de la température dans le canal est visible
sur les caractéristiques atteignant des densités de courant élevée et l'on
distingue, un peu avant 30 V, une diminution du courant de saturation. La
figure 4-54 montre les densités de courant de saturation ainsi que les
résistances série spécifiques obtenues. Pour LCANAL=4 µm et LINTER=4 µm, on
Chapitre 4 : réalisation et caractérisation
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
166
obtient JDSSAT=800 A.cm-2 et RON-SPE=14 mΩ.cm2. Le recuit de métallisation
devrait améliorer les caractéristiques électriques.
4 5 6300
400
500
600
700
800
J DSS
AT
[A/c
m2 ] (
à V D
S=30
V)
LCANAL [µm]
LINTER=2 µm LINTER=3 µm LINTER=4 µm
4 5 610
20
30
40
50
RO
N-S
PE [
mΩ ΩΩΩ
.cm
2 ]LCANAL [µm]
LINTER=2 µm LINTER=3 µm LINTER=4 µm
figure 4-54 : Densité de courant de saturation (à VDS=30 V) et Résistance série spécifiquesuivant la longueur du canal. On remarque nettement l'effet de paramètre de conception(LCANAL et LINTER) sur le comportement du composant. La caractéristique correspondant àLCANAL=4 µm et LINTER=4 µm montre une densité de courant de saturation de 800 A.cm-2 etune résistance série spécifique de 14 mΩΩΩΩ.cm2.
0 10 20 30 400
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100 intercellule=8 µm
J DS
[A/c
m2 ]
VDS [V]
H4 (LCANAL=4 µm, LINTER=4 µm) Simulation ISE
figure 4-55 : Comparaison simulation / expérience. La mobilité des électrons dans lecanal obtenue expérimentalement est de l'ordre de grandeur de celle prise en simulation(sans charge à l'interface SiO2/SiC), soit environ 400 cm2.V-1.s-1.
Chapitre 4 : réalisation et caractérisation
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167
Les mesures semblent être cohérentes (figure 4-55) avec une
simulation ISE utilisant les profils de dopage de la figure 4-52. Ce qui indique
une faible densité de charge à l'interface SiO2/SiC-4H et une excellente
mobilité des électrons dans le canal.
La figure 4-56 situe les performances obtenues par rapport aux autres
composants unipolaires publiés dans la littérature. En supposant une tenue en
tension de 600 V, les composants du second "run" se situent parmi les meilleurs
composants de type MOSFET obtenus sur SiC et ce sans commande de grille.
D’autres caractérisations permettront de sélectionner les meilleurs
composants, de les encapsuler et de les tester en phase de court-circuit réels.
102 103 10410-1
100
101
102
103
104
ΜΜΜΜ
ΜΜΜΜ
ΜΜΜΜ
ΜΜΜΜ
C
CC
SiC-4H
SiC-6H
Si
MOSFET Accu MOSFET JET IGBT 6H
ΜΜΜΜ power mosfet SiC coolmos Si
RUN 1 et RUN 2
RO
N-S
PE [
mΩ ΩΩΩ
.cm
2 ]
VBR [V]
figure 4-56 : Situation des limiteurs Accu-MOSFET en terme de résistance spécifique etde tenue en tension par rapport aux composants unipolaires interrupteurs de lalittérature.
Chapitre 4 : réalisation et caractérisation
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
168
Conclusion
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
169
CONCLUSION
Pour ce qui est du carbure de silicium, il semble que l'aventure
commerciale de la diode Schottky en SiC-4H proposée par Infineon est à suivre
et drainera peut être un marché porteur et avec lui un essor certain de la
technologie de composants sur carbure de silicium. L'avenir du carbure de
silicium passe sans doute par le développement de composants basiques
(Schottky par exemple) présentant des caractéristiques électriques autorisant un
gain important de performance dans les applications visées (convertisseurs). De
nouveaux composants peuvent également susciter un intérêt commercial.
L'étude proposée se situe dans un cadre de composant spécifique laissé vacant
par la filière silicium : un composant limiteur de courant adapté à la protection
série dommestique (réseau 220 V / 50 Hz). Les potentialités d'un tel composant
en carbure de silicium ont été étudiées ici. La conception d'un composant
répondant au cahier des charges a abouti à une définition de ses paramètres
technologiques assistée par le logiciel de simulation par éléments finis proposé
par ISE TCAD.
Un premier essai de fabrication avec le concours technologique du
CNM (Barcelone) a permis de réaliser des démonstrateurs. Les meilleures
caractéristiques électriques obtenues montrent une densité de courant de
saturation d'environ 200 A.cm-2 et une résistance série spécifique de 150
mΩ.cm2. Le concept proposé en simulation a été vérifié expérimentalement
avec cependant des performances moindres dues aux charges d'interface
Conclusion
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
170
SiO2/SiC (1-2¥1012 cm-2) amputant la conductivité d'un canal déjà affaibli par
les étapes technologiques précédentes. D'autres dérives sur la qualité du contact
Ni/N++, la gravure de prise de contact sur la région P+ et divers problèmes
d'alignement n'ont pas permis de corréler les paramètres de conception liés au
canal avec les performances électriques obtenues. Seul l'effet de la diminution
de la distance séparant deux cellules, se caractérisant par une diminution du
niveau de courant, a été observé, résultat prévu par la simulation.
Le premier essai a permis de "rôder" certains points technologiques et
de définir un ensemble de corrections envisagées pour la réalisation d'un
second prototype avec le même jeu de masques.
Les caractéristiques obtenues sur ces seconds composants limiteurs de
courant en SiC-4H montrent une densité de courant de saturation atteignant 800
A.cm-2 avec une résistance série spécifique de 14 mΩ.cm2. L'effet de la
longueur de canal et de la distance intercellulaire est facilement observable. Les
performances obtenues, proches de celles simulées, permettent d'estimer une
très bonne conductivité du canal et de faibles densités de charges à l'interface
SiO2/SiC. L'homogénéité des caractéristiques électriques sur la plaquette est
bonne. Le point délicat reste le recuit du contact Ni et sa compatibilité avec
l'oxyde de grille. La structure de la couche P+ est à améliorer vis-à-vis de la
tenue en tension, elle pourrait être complétée par l'ajout d'une couche P jouant
un rôle de poche. L'amélioration du contact sur P+ passe par une redéfinition
des étapes technologiques et des masques de photolithogravure.
Les prototypes de composants limiteurs de courant montrent des
comportements électriques les situant parmi les meilleurs représentants des
Accu-MOSFETs obtenus dans la littérature. La conception, la mise au point
technologique et la caractérisation électrique sont à poursuivre (pour la
Conclusion
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171
protection péripériphérique, par exemple). Il reste un travail important sur la
mise au point d'un composant fiable, ce qui est un constat général de la maturité
actuelle de la filière SiC. Une étude de fiabilité thermique de composants
limiteurs SiC est à mener avec des reflexions sur leur encapsulation.
D'autres architectures de composants sont à étudier et à adapter aux
progrès de la technologie du SiC (progrès dépendants eux-mêmes des
composants visés).
Ce type de composant a sans doute un avenir dans certaines "niches"
économiques (spatial, par exemple), il est encore un peu précoce de prévoir une
utilisation prochaine de limiteurs de courant SiC dans les tableaux domestiques
de distribution électrique. Les fusibles ont encore de beaux jours devant eux
(faibles coûts et faibles résistances série) mais ceux-ci sont, dans certaines
applications, peut-être comptés.
Conclusion
Franck NALLETConception, Réalisation et Caractérisation d'un ComposantLimiteur de courant en carbure de siliciumThèse Insa de Lyon - CEGELY
172
Bibliographie
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FOLIO ADMINISTRATIF
THESE SOUTENUE DEVANT L’INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE LYON
NOM : NALLET DATE de SOUTENANCE :13 Juin 2001
Prénoms : Franck
TITRE :Conception, Réalisation et Caractérisation d'un composant limiteur de courant en carbure de silicium.
NATURE : Doctorat Numéro d’ordre : 01 ISAL 0017
Formation Doctorale : Dispositifs de l'Electronique Intégrée
Cote B.I.U. – Lyon : / et bis CLASSE :
RESUME :La filière carbure de silicium pour la réalisation de composants de puissance semble être
prometteuse dans un avenir proche. Ses propriétés physiques en font un excellent candidat pour desapplications où se mêlent haute tension et haute température. Le sujet abordé dans cette thèse entreintégralement dans ce domaine en proposant l'étude d'un composant limiteur de courant en carbure desilicium. Ce dispositif est destiné à la protection des systèmes électriques contre les surintensités sur unréseau 50 Hz. La fonction demandée est de limiter le courant de surcharge sur une durée limitée et suffisantepour autoriser l'ouverture de la ligne par un organe disjoncteur dans des conditions propices. La conceptiond'un composant en SiC-4H répondant au cahier des charges (600 V / 50 A) a abouti à une définition desparamètres technologiques assistée par le logiciel de simulation par éléments finis développé par ISETM
TCAD. Un premier prototype, réalisé avec le concours du CNM (Barcelone), montre une densité de courantde saturation d'environ 200 A.cm-2 et une résistance série spécifique de 150 mΩ.cm2. Le concept proposé ensimulation a été vérifié expérimentalement. Le démonstrateur a permis de "rôder" certains pointstechnologiques et de définir un ensemble de corrections envisagées sur la réalisation d'un second prototype.Les prototypes suivant atteignent une densité de courant de saturation de 800 A.cm-2 avec une résistancesérie spécifique de 14 mΩ.cm2. Les seconds prototypes de composants limiteurs de courant en SiC-4Hréalisés se situent parmi les meilleurs représentants des Accu-MOSFETs obtenus dans la littérature.
MOTS-CLES : carbure de silicium, protection série, simulation électrothermique, MOSFET, composant depuissance, limiteur de courant, SiC-4H.
Laboratoire (s) de recherches : Centre de Génie Electrique de Lyon (CEGELY)
Directeur de thèse : Dominique PLANSON
Président du jury :
Composition du jury :D. PLANSON, J.P. CHANTE, J. MILLAN, F. MISEREY, A. LHORTE, B. REYMOND.