Optimisation des étapes technologiques pour la
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Chapitre 1 Le SiC pour l’électronique de puissance Le carbure de silicium pour l’électronique 1 de puissance L’Institut franco-allemand de recherches de Saint-Louis (ISL) s’intéresse aux circuits électriques impulsionnelles de très fortes puissances pour des applications militaires. Les tensions appliquées sont supérieures à 10 kV et les courants dépassent les 100 kA. Actuellement, les composants actifs utilisés dans ces systèmes sont des composants en silicium. Les composants en silicium permettent d’obtenir de très bonnes performances en basse tension (<1 kV). En haute tension (>5 kV), les pertes à l’état passant deviennent importantes, les dispositifs chauffent et de gros systèmes de refroidissement sont indispensables au bon fonctionnement. Le silicium atteint aujourd’hui ses limites dans nos besoins. Le carbure de silicium est un semi-conducteur à large bande interdite. Ses propriétés physiques exceptionnelles laissent présager des possibilités plus étendues que le silicium (Si) pour l’électronique de puissance. Dans les hautes tensions (>10 kV), plusieurs composants en silicium doivent être mis en série ce qui est le cas à l’ISL, alors qu’avec le SiC, il sera alors théoriquement possible de réduire considérablement le nombre de composants. De plus ses capacités à fonctionner à haute température permettent d’envisager de nouvelles applications mais également de réduire l’encombrement des systèmes de refroidissement. En recherche, plusieurs démonstrateurs ont été réalisés et ils démontrent un avenir prometteur pour les composants de puissance en SiC. Les premiers composants SiC sont commercialisés depuis 2002 sous la forme de diodes schottky. INSA Lyon – Laboratoire Ampère / Institut Saint-Louis 21 Optimisation des étapes technologiques pour la fabrication des composants de puissance en SiC Des systèmes à base de ces composants ont permis de mettre en évidence ses atouts avec, à la clef, une réduction des pertes très conséquente. Ces encourageantes démonstrations de l’utilisation des composants en SiC permettent de motiver d’avantage l’intérêt de l’ISL pour les applications impulsionnelles de puissance. Le but de ce premier chapitre est de montrer vers quels types de composants il est nécessaire de se tourner pour l’application visée. Après la justification du choix du carbure de silicium comme semi-conducteur nous ferons un état de l’art des composants ayant fait l’objet de publications ou étant commercialisés ou en passe de l’être. Cet état mettra aussi en évidence les étapes de fabrication qui restent encore à maîtriser pour améliorer les caractéristiques des dispositifs finaux. 1. Les applications de l’ISL A l’Institut franco-allemand de recherches de Saint-Louis, le groupe de recherche EHI (Elektrische Hochleistungsimpulsanlagen : Alimentations électriques impulsionnelles) travaille sur les circuits électriques permettant de générer des impulsions électriques de très forte puissance [Lehm 03]. Une des applications visée est la protection active (Figure 1). Figure 1. Schéma de fonctionnement du dispositif de la protection active [Lehm 03]. C’est un système de défense qui permet de dévier un projectile. Une détection radar permet de déterminer la trajectoire du projectile. L’information est traitée et permet de calculer la position d’interception avec une plaque blindée. Une commande est alors générée pour propulser la plaque dans la direction voulue. Ainsi, la génération d’impulsions (<1 ms) électriques de puissance permet de projeter cette plaque en question. Etant donné le poids important de la plaque, la vitesse et la distance de projection, des puissances très importantes sont nécessaires. Les tensions sont de l’ordre de 10 kV et les courants sont supérieurs à 100 kA. Les interrupteurs du circuit électrique de puissance doivent pouvoir contrôler de telles grandeurs. 22 Heu VANG / thèse en génie Electrique Chapitre 1 Le SiC pour l’électronique de puissance Une autre application de ces circuits impulsionnels de puissance est le lanceur à rail (Figure 2). Le système permet de propulser un projectile à l’aide d’énergie électrique. Le projectile est placé sur un rail composé de deux barres conductrices sur lesquelles on vient connecter plusieurs électrodes couplées à des alimentations qui génèrent des impulsions électriques de puissance. La première impulsion propulse le projectile. Ensuite les autres impulsions, réparties tout le long du rail, permettent de l’accélérer. La vitesse du projectile en sortie du rail peut atteindre 3 km/s. Sur le plus grand démonstrateur dénommé Pegasus, le rail possède une longueur de 6 mètres et permet de propulser un projectile de 1 kg, l’énergie totale utilisée est de 10 MJ. Figure 2. Schéma de fonctionnement du lanceur à rail [Lehm 03]. Actuellement, les composants actifs utilisés sont des diodes et des thyristors en silicium. Les inconvénients sont l’assemblage de plusieurs composants en série nécessitant une commande complexe et surtout un système de refroidissement très imposant. Un module de 50 kJ utilisé dans les circuits impulsionnels de puissance de l’ISL est présenté sur la Figure 3. En arrière plan se trouve la capacité de stockage de l’énergie électrique, au centre figurent les composants actifs (diodes et thyristors). La bobine du circuit est au premier plan. Figure 3. Module de commutation de 50 kJ réalisé par l’ISL pour les applications impulsionnelles de puissance [Lehm 03]. L’ensemble pèse aux environs de 60 kg. Pour la protection active, le nombre ces modules peut atteindre cinq unités, alors que le lanceur à rail requiert 200 de ces modules. Le volume nécessaire pour stocker tous ces INSA Lyon – Laboratoire Ampère / Institut Saint-Louis 23 Optimisation des étapes technologiques pour la fabrication des composants de puissance en SiC équipements correspond à plusieurs milliers de mètres cube (Figure 4). Avec un tel encombrement, il est donc inenvisageable pour le moment de pouvoir réaliser un système transportable de ces dispositifs. Figure 4. Photo du lanceur à rail Pegasus [Lehm 03]. L’objectif à terme est de pouvoir rendre ces applications mobiles. L’ISL s’est alors intéressé au SiC pour l’optimisation de ses applications. En effet, l’utilisation du SiC semble théoriquement pouvoir apporter une solution pour les composants actifs du système en vue d’une réduction de l’encombrement. Tout d’abord il serait possible de réduire de manière significative le nombre de composants ce qui améliorera le rendement puis la commande sera également simplifiée et l’encombrement s’en retrouvera réduit. La capacité du SiC pour les hautes températures permettra d’augmenter la température de jonction pour un fonctionnement en multi-coups puisque le système actuel en raison de l’échauffement n’autorise que des « tirs » en mono-coup. L’ensemble de tous ces avantages pourra à l’avenir permettre la mobilité des différents systèmes étudiées par l’ISL. Le paragraphe suivant donne les éléments justifiants l’intérêt de l’ISL pour le SiC en vue de ses applications. 24 Heu VANG / thèse en génie Electrique Chapitre 1 Le SiC pour l’électronique de puissance 2. Pourquoi le SiC ? 2.1. Un peu d’histoire … Les premières mentions du carbure de silicium (SiC) remontent à 1824, cette découverte est attribuée à Berzelius. Sur Terre, ce matériau n’existe pas sous forme naturelle, la plupart des échantillons naturels sont d’origine extraterrestre, apportés par des météorites. En 1905, Moissan découvrit un de ces échantillons sur une météorite [Mois 05], d’où le nom donné par la suite : moissanite pour nommer le SiC. La première synthèse de cristaux SiC a été réalisée par Acheson en 1892 [Ache 92]. Le résultat est le fruit d’une tentative de synthèse accidentelle du diamant. Dès 1907, Round réalisa la première diode électroluminescente en SiC [Roun 07]. En 1955, Lely développa une méthode de synthèse de SiC mono-cristallin [Lely 55]. Par la suite, cette méthode a été approfondie par Tairov et Tsvetkov [Tair 78]. Leurs travaux permettent la croissance par sublimation du SiC à partir d’un germe. Cette méthode fut nommée : méthode de Lely modifiée. Les principales applications de nos jours sont encore dans les machines outils de découpe qui mettent en avant les propriétés mécaniques du SiC (indice de dureté Mohs : 9.5) (diamant : 10). Sous sa forme mono-cristalline, le SiC est un semi-conducteur à large bande interdite. Depuis les travaux de Tairov et Tsvetkov, le SiC a eu un intérêt grandissant dans la réalisation de composants de puissance grâce à ses propriétés physiques exceptionnelles. La société américaine CREE [Cree 06], aujourd’hui leader mondial de la fourniture de substrats de SiC monocristallin, a vu le jour en 1987. La plupart des échantillons utilisés dans la recherche mondiale sur le SiC proviennent de cette dernière. Plus récemment, de nouveaux fabricants sont apparus comme SiCrystal [Sicr 06], Norstel [Nors 06] ou encore II-VI Incorporated [ii-v 06]. 2.2. Propriétés du SiC 2.2.1. Cristallographie Bien que le carbure de silicium monocristallin se compose d’autant d’atomes de silicium que d’atomes de carbone, il existe plusieurs structures cristallines suivant la disposition des atomes sur la base de la liaison Si-C. On parle alors de polytype. La Figure 5 représente un arrangement tétragonal entre un atome de carbone et quatre atomes de silicium, la distance entre deux atomes de silicium est de 3,08 Å, et alors qu’elle est de 1,89 Å entre un atome de silicium et un atome de carbone. INSA Lyon – Laboratoire Ampère / Institut Saint-Louis 25 Optimisation des étapes technologiques pour la fabrication des composants de puissance en SiC Figure 5. Arrangement tétragonal entre un atome de carbone et quatre atomes de silicium. Le SiC monocristallin se présente sous la forme de polytypes, il en existe environ 200 différents. Les plus utilisés en électronique de puissance sont les polytypes hexagonaux (4H et 6H), cubique (3C) et rhomboédrique (15R). Cette nomenclature a été proposée par Ramsdell. Le polytype est identifié par le nombre de plans cristallins compacts d’une séquence et le type cristallographique. Les trois polytypes les plus utilisés dans la recherche (3C, 4H et 6H) sont représentés sur la Figure 6. Figure 6. Représentation des polytypes 3C, 4H et 6H. 2.2.2. Propriétés électriques Les caractéristiques électriques du carbure de silicium diffèrent suivant le polytype. Le SiC est classé dans les semi-conducteurs à large bande interdite. Le Tableau 1 résume les propriétés électriques du SiC et d’autres semiconducteurs. 26 Heu VANG / thèse en génie Electrique Chapitre 1 Le SiC pour l’électronique de puissance Tableau 1. Résumé des propriétés électriques de plusieurs semi-conducteurs. Matériau Eg (eV) Ge Si GaAs 3C-SiC 6H-SiC 4H-SiC GaN C 0,66 1,12 1,4 2,2 2,9 3,26 3,36 5,5 Ec (MV/cm) 0,1 0,3 0,4 1,5 2,2 2,5 2 10 εr 16 11,8 12,8 9,66 9,7 10 9 5,5 µn (cm2.V-1.s-1) 3900 1400 8500 900 400 750 750 2200 µp (cm2.V-1.s-1) 600 400 40 90 115 320 1600 Vsat (cm.s-1) 0,5 1 2 2 2 2 2,5 2,7 λ (W.K-1.cm-1) 0,6 1,5 0,5 4,5 4,5 4,5 1,3 20 Le diamant est le semi-conducteur qui présente la bande interdite la plus grande, la plus grande rigidité diélectrique et le coefficient thermique le plus important. Ce qui fait du diamant le meilleur matériau pour les composants de puissance. En effet, avec une rigidité diélectrique de 10 MV/cm, il est possible de réaliser des composants avec des tenues en tension très élevées. Son grand gap et son coefficient thermique important lui confèrent des opportunités très intéressantes pour un fonctionnement à haute température. De plus avec une mobilité des porteurs élevée, les composants unipolaires hautes tensions en diamant sont possibles. A l’heure actuelle, il subsiste deux limitations technologiques importantes pour utiliser ce matériau pour la réalisation de composants de puissance. D’une part, bien que les progrès technologiques aient apporté une réponse à la synthèse du diamant, il est encore très difficile de fabriquer des substrats de grande dimension pour pouvoir produire des composants. D’autre part, le dopage de type N avec le phosphore et le dopage de type P avec le bore sont très difficiles à réaliser et ils induisent des niveaux très profonds de 0,57 eV et 0,36 eV respectivement [Koiz 02]. De nos jours la majorité des composants de puissance sont réalisés en silicium. Il est donc intéressant de comparer les caractéristiques des « nouveaux » matériaux à celles du silicium pour en voir les avantages. Les autres semi-conducteurs présentant des caractéristiques intéressantes pour les composants de puissance sont le nitrure de gallium (GaN) et le carbure de silicium (SiC). Le premier possède des caractéristiques proches de celles du SiC à l’exception du coefficient thermique qui est beaucoup plus faible d’un facteur 3. En réalité la principale limitation est la disponibilité de substrat de GaN, puisque la technologie actuelle ne permet d’obtenir que des couches de GaN sur des substrats de Si, Al2O3 (Saphir) ou SiC. Cet inconvénient empêche donc la réalisation des composants verticaux qui représentent la quasi-totalité des composants de puissance. Malgré cela, des premières diodes Schottky latérales ont été réalisées [Osva 05]. L’inconvénient du SiC est la mobilité des porteurs qui est relativement faible, tout en restant du même ordre de grandeur que celle du silicium. Cela INSA Lyon – Laboratoire Ampère / Institut Saint-Louis 27 Optimisation des étapes technologiques pour la fabrication des composants de puissance en SiC est compensé par des dimensions réduites pour les composants SiC. Bien que le GaN possède une mobilité des électrons supérieure, le SiC présente encore l’avantage de la possibilité de la croissance d’un oxyde natif de type SiO2 qui est un point important pour les dispositifs à grille isolée, tels que le MOSFET ou l’IGBT. Le carbure de silicium, lui, possède une rigidité diélectrique dix fois plus importante que celle du silicium. Ce qui signifie que pour une tenue en tension donnée, un composant avec la même structure en SiC sera plus performant puisque l’épaisseur de la couche de drift qui tient la tension sera réduite avec un dopage plus élevé. Ces améliorations permettront donc de réaliser un composant avec un calibre en courant plus important et des pertes à l’état passant considérablement réduites. La formule suivante permet de déterminer la résistance spécifique à l’état passant d’un composant unipolaire de type n : 2 4VB (1) εµn EC 3 RON = 2 Résistance spécifique RON (mΩ.cm ) Il est ainsi possible de tracer la courbe de la résistance spécifique en fonction de la tenue en tension (Figure 7). 10 3 10 2 10 1 10 0 Limite Si Limite SiC-6H 10 -1 10 -2 10 -3 Limite SiC-4H 10 2 10 3 10 4 Tension de claquage (V) Figure 7. Limite de la résistance spécifique à l’état passant en fonction de la tension de claquage. En observant la Figure 7, la supériorité du SiC est nette. Alors que la limite du silicium pour un composant unipolaire avec des pertes à l’état passant convenable se situe vers 1 kV, le SiC permet la réalisation de composants dépassant les 10 kV. De même pour une tension donnée, la résistance spécifique à l’état passant est plus faible de trois décades en faveur du SiC. Avec une bande interdite trois fois supérieure et un coefficient thermique plus grand d’un facteur trois, ces propriétés lui confèrent donc une plus grande capacité à fonctionner à haute température. En réunissant tous ces avantages, cela amène également à la réduction de l’encombrement des dispositifs de puissance. Le premier effet est la réduction du nombre de 28 Heu VANG / thèse en génie Electrique Chapitre 1 Le SiC pour l’électronique de puissance composants puis le comportement en haute température permet de réduire de manière significative les systèmes de refroidissement. Enfin, ce qui permet des avancées technologiques conséquentes est la disponibilité de substrats de carbure de silicium. La taille des plaques n’a pas cessé d’augmenter au point d’avoir atteint des tailles standard de wafer de silicium de 4 pouces commercialisés depuis 2006. A présent, il est donc possible de réaliser des composants sur des plaques SiC avec les équipements standard de la filière silicium. Ceci représente un avantage certain pour le transfert technologique. 100 mm (4″) 75 mm (3″) 35 mm (1″3/8) 02/95 50 mm (2″) 06/97 06/01 09/05 Figure 8. Evolution de la taille des wafers en carbure de silicium avec la date d’apparition en développement. 2.3. Qualité des substrats SiC disponibles sur le marché La majorité des recherches sur le SiC se fait sur des substrats fournis par la société Cree. Depuis quelques années, de nouveaux acteurs ont fait leur apparition notamment l’européen SiCrystal, Norstel, II-VI, ... Ces derniers présentent l’inconvénient de ne pas proposer (pour l’instant) la possibilité d’épitaxie épaisse. La qualité des substrats actuels n’est pas encore optimale puisqu’ils présentent de nombreux défauts. Les deux principaux défauts sont les micropores [Hofm 99] et les dislocations [Blum 03]. Les micropores sont des « trous » issu d’un défaut de croissance qui traverse de part en part le wafer. Ce défaut est une absence de matière et provoque des disfonctionnements pour les composants notamment des courants de fuites élevés en régime bloqué. Dernièrement, la société INTRINSIC a développé une technologie appelée « Zero Micropipe » (ZMP) permettant la production de wafer SiC sans micropores. Mais en juin 2006, la société a été rachetée par Cree. L’autre type de défaut très présent dans les substrats SiC est constitué par les dislocations. Ce sont des défauts d’empilement des couches atomiques. Les deux principales dislocations sont les dislocations suivant le plan de base (Basal Plane Dislocations, BPD) et les dislocations en « filetage » (Threading Edge Dislocations, TED). Ces défauts sont surtout mis en cause dans les INSA Lyon – Laboratoire Ampère / Institut Saint-Louis 29 Optimisation des étapes technologiques pour la fabrication des composants de puissance en SiC composants bipolaires dont leur effet est une altération de la caractéristique en direct (voir Chapitre 3, §4). La production de masse des composants de puissance en carbure de silicium dépend énormément de la qualité des substrats pour obtenir un rendement de fabrication élevé. Les composants de puissance SiC développés en laboratoire sont présentés dans le paragraphe suivant. 3. Les composants de puissance 3.1. Composants en silicium Les composants de puissance en semi-conducteur sont de nos jours généralement réalisés dans la filière silicium. Les composants dits de puissance ont des tenues en tension élevées (> 600V) et des calibres en courant importants (> 10 A). Ils se classent en deux catégories : bipolaire et unipolaire, le classement étant fait en fonction du mode de conduction des composants. Le composant le plus simple et le plus répandu est la diode bipolaire qui est l’un des deux seuls composants redresseurs. Les interrupteurs de puissance sont beaucoup plus nombreux. Bien que le choix du composant idéal pour une application puisse être vaste, on peut observer sur la Figure 9 les composants en silicium les plus performants suivant la tension d’utilisation, le courant et la fréquence de fonctionnement. Pour les plus grandes puissances, le thyristor et le GTO (Gate Turn Off thyristor) sont les plus appropriés mais ils restent limités à une faible fréquence d’utilisation (fmax ≈ 1-2 kHz). Pour les applications avec une fréquence de commutation élevée, les MOSFET auront la supériorité. Dans les moyennes puissances avec des fréquences moyennes, on retrouve les IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), les MCT (MOS Controlled Thyristor) et les transistors bipolaires (BJT). En pratique, de nos jours, les MCT et les BJT ont été pratiquement remplacés par l’IGBT et dans certains cas le thyristor aussi. Le choix se fait plus facilement puisqu’on retrouve trois groupes : la famille des thyristors (bipolaire) pour les très grandes puissances, les MOSFET (unipolaire) pour les applications hautes fréquences et les IGBT (conduction mixte) pour les puissances moyennes et les fréquences moyennes. 30 Heu VANG / thèse en génie Electrique Chapitre 1 Le SiC pour l’électronique de puissance Thyristor Tension (kV) GTO Courant (A) MCT IGBT 1 BJT 10 MOS 100 9000 7500 6000 4500 3000 1000 1500 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Fréquence (kHz) Figure 9. Schéma déterminant les performances électriques et fréquentielle pour chaque famille de composants en silicium [Dedo 03]. La famille des thyristors est la plus apte à drainer de très forts courants en raison du mode de conduction qui implique les deux types de porteurs de courant. Le courant est porté par les minoritaires qui ont des durées de vies importantes, d’où une recombinaison lente qui engendre un temps de commutation lent, un temps de recouvrement nécessaire pour évacuer les charges stockées dans les jonctions. A la différence, le MOSFET est un composant unipolaire dont seuls les porteurs majoritaires génèrent le courant. De cette manière, il n’y a pas de charges stockées et le composant peut commuter rapidement, d’où l’avantage du MOSFET pour les applications hautes fréquences. Par contre, le courant résultant d’un seul type de porteurs, cela signifie que la résistance à l’état passant dépend du dopage et de la dimension de la couche conductrice. Pour obtenir une faible résistance un dopage élevé est nécessaire, mais cela réduit d’autant la tenue en tension. Compromis entre ces deux composants qui résulte de l’intégration monolithique d’un MOSFET et d’un transistor bipolaire, l’IGBT est le parfait candidat. La commande se fait comme un MOSFET et le courant est généré par les porteurs majoritaires et minoritaires. Ce composant est l’un des derniers nés mais à ce jour, est le plus utilisé. Il a remplacé les transistors bipolaires et darlingtons et il remplace très souvent le thyristor dans les systèmes de puissance. La première limitation des composants en silicium concerne les applications très hautes tensions (>10 kV). En effet pour les réseaux de distribution électrique, ou des applications spécialisées nécessitant des tensions très élevées, l’utilisation de plusieurs composants Si en série est nécessaire. Cette mise en série a plusieurs inconvénients : des pertes à l’état passant importantes et, surtout dans le cas des interrupteurs, une commande très complexe afin de faire commuter tous les composants en même temps. INSA Lyon – Laboratoire Ampère / Institut Saint-Louis 31 Optimisation des étapes technologiques pour la fabrication des composants de puissance en SiC Le second inconvénient provient de l’impossibilité de fonctionnement à haute température. En effet, au-delà de 150 °C les courants de fuites sont beaucoup trop élevés et les pertes à l’état passant augmentent considérablement. 3.2. Les composants de puissance en SiC 3.2.1. Présentation Comme il a été vu au paragraphe §1, le carbure de silicium possède des qualités indéniables pour les applications de puissance. Ainsi, de nombreux chercheurs ont travaillé sur la réalisation de démonstrateurs tels que les diodes (Schottky ou bipolaire), les JFETs, MOSFET et thyristors. La mise au point de certains composants a pu mettre en valeur de manière significative, les meilleurs performances du SiC par rapport au Si pour les très hautes tensions. Les travaux de certains groupes ont mené à la commercialisation de composants de puissance en SiC qui sont disponible depuis quelques années. La réalisation de composants de puissance en SiC impose des opérations différentes de celle des composants en Si dû à ses propriétés physicochimiques. Par exemple l’impossibilité de doper par diffusion implique la nécessité du dopage localisé par implantation ionique, ou encore des structures gravées pour atteindre les couches enterrées. La mise en place des protections périphériques nécessite très souvent une gravure du SiC pour la protection mesa. Dans le cas du SiC, la gravure chimique s’avère très difficile voir impossible et la gravure par plasma s’impose. Dans cette partie, un état de l’art des différents démonstrateurs réalisés jusqu’à présent est présenté. 3.2.2. Diode Schottky SiC La diode Schottky a été le premier composant en carbure de silicium effectivement commercialisé [Infi 06] [Cree 06] [Micr 06]. Les avancées technologiques ont été importantes sur ce composant et ont permis la production industrielle. Mais ce composant est encore aujourd’hui très peu connu des utilisateurs potentiels et l’intérêt reste limité, surtout en l’absence d’un commutateur SiC. La diode Schottky est un composant unipolaire dont le courant est généré par les porteurs majoritaires. Son comportement redresseur est dû à la mise en contact d’un métal avec le semi-conducteur et une approche plus détaillée sera faite au chapitre 2. Le démonstrateur possédant les meilleures caractéristiques en direct a été réalisé chez Cree par Singh [Sing 02]. La diode possède une résistance spécifique de 7,4 mΩ.cm2 et le courant maximal atteint est de 130 A avec une surface active de 0,64 cm2. Sa tension de claquage est de 300 V. Pour cette réalisation, il a utilisé un substrat de type N 32 Heu VANG / thèse en génie Electrique Chapitre 1 Le SiC pour l’électronique de puissance avec une couche épitaxiée de type N dopée à 5×1015 cm-3 de 15 µm d’épaisseur était nécessaire. En terme de tenue en tension, un démonstrateur ayant une tension de claquage de 10 kV a été réalisé par Zhao [Zhao 03]. La structure de la diode est présentée sur la Figure 10. Cette diode a nécessité l’utilisation d’un substrat N+ avec une première couche épitaxiée N- dopée à 5,6×1014 cm-3 servant de couche de « drift » suivie d’une seconde épitaxie N dopée à 2×1016 cm-3. Ensuite une dernière couche épitaxiée de type P+ est utilisée pour mettre en place la protection périphérique MJTE qui a nécessité la gravure du SiC et l’implantation ionique. D’autres groupes de recherche ont réalisé des diodes Schottky avec des tenues en tension proche de 5 kV (Tableau 2). Figure 10. Vue en coupe de la diode Schottky SiC 10 kV réalisée par Zhao. Tableau 2. Récapitulatif de quelques diodes Schottkys dans la littérature. Référence Métal du contact Epaisseur couche de drift (µm) VBR (kV) If (A) RON (mΩ.cm2) [Zhao 06] [Mcgl 99] [Naka 05] Ni Ni Mo 115 50 33 10 4,9 4,15 0,055 ? ? 97,5 17 9,07 Depuis 2002, six fabricants de composants semi-conducteurs (Infineon, APT, Fairchild, Rockwell, Microsemi et Cree) ont commencé à proposer dans leurs catalogues des diodes Schottky SiC. Aujourd’hui APT, Fairchild et Rockwell ont enlevé ces composants de leurs catalogues. Les premières générations étaient des diodes ayant une tenue en tension de 600 V et des calibres en courant de 6 et 12 A. Ces composants visent le marché domestique en remplacement, notamment dans les circuits redresseurs, de leurs homologues diodes PN en silicium. Depuis, des nouvelles diodes sont apparues avec des tenues en tension de 1,2 kV. Les premières applications utilisant des diodes Schottky SiC sont décrites au paragraphe § 4. INSA Lyon – Laboratoire Ampère / Institut Saint-Louis 33 Optimisation des étapes technologiques pour la fabrication des composants de puissance en SiC Tableau 3. Récapitulatif des meilleures diodes Schottkys disponibles de chaque fabricant sur le marché Fabricant Référence VBR (V) IF (A) VF (V) Cree Infineon Microsemi C2D10120 SDT12560 UPSC603 1200 600 600 10 12 4 1,6 1,5 1,7 Par comparaison, la diode Schottky Si commerciale (Infineon BAT240A) ayant la plus haute tenue en tension est de 250 V pour un courant de 1 A. L’équivalent des diodes Schottky SiC 1200 V serait plutôt des diodes Si bipolaires. En comparant la diode bipolaire 1,2 kV – 12 A (Infineon IDB12E120) et la diode SiC 1,2 kV – 10 A, les chutes de tensions en direct sont proches. Par contre, la diode Si présente l’inconvénient d’un courant inverse et d’un temps de recouvrement pour évacuer les charges stockées. Ainsi, les pertes en commutation pour la diode SiC seront plus contenues en l’absence d’un courant inverse et d’un temps de recouvrement. Cela permet d’éviter de surdimensionner les composants du circuit de puissance. 3.2.3. Diode bipolaire SiC La diode bipolaire est une sorte de vitrine technologique pour le SiC et les démonstrateurs permettent de mettre en évidence la supériorité du SiC pour la réalisation de composants ayant des tenues en tension très élevées. A ce jour le record est de 19 kV [Suga 01] ! La jonction PN est présente dans presque tous les commutateurs, et c’est cette même structure qui est responsable de la tenue en tension du composant. Les performances en blocage des démonstrateurs de diodes PiN laisse donc présager de grandes possibilités pour les interrupteurs SiC. A partir d’un substrat N+ avec une couche de drift N- épitaxiée de 200 µm d’épaisseur dont la concentration d’atomes donneurs est de 8×1013 cm-3 et une couche P+ pour l’anode, Sugawara a réalisé une diode bipolaire permettant de bloquer une tension de 19 kV. Pour atteindre cette tension, une protection mesa/JTE a été mise en place autour de la jonction PN. La structure est illustrée sur la Figure 11. La densité de courant dans le sens direct est de 100 A.cm-2 sous une polarisation de 6,5 V. Il a également fait une caractérisation en dynamique pour déterminer le temps de recouvrement. Il s’est avéré très bon puisqu’il n’excède pas 43 ns pour un courant commuté de 100 mA. Il a ensuite comparé avec une diode silicium de puissance ayant une technologie de recouvrement rapide et dont la tenue en tension n’est que de 400 V, le résultat est probant puisque le temps de recouvrement est 4 fois plus rapide pour la diode SiC. Il est à noter que le courant nominale de la diode Si est beaucoup plus important, donc la taille du composant est également plus 34 Heu VANG / thèse en génie Electrique Chapitre 1 Le SiC pour l’électronique de puissance grande. Cela explique en partie la grande différence des temps de recouvrement. Protection mesa+JTE Anode P P+ P NN+ Cathode Figure 11. Structure de la diode SiC PiN 19 kV réalisée par Sugawara. Plus récemment, Hull a fabriqué une diode bipolaire PiN SiC ayant une tenue en tension de 4,5 kV pour un courant de 180 A sous une polarisation de 3,17 V [Hull 06]. Il a utilisé un wafer ayant une très faible densité de micropores (< 0,2 cm-2) qui autorisait la fabrication de diodes de 13,58×13,58 mm2 de large. La structure de la diode est présentée sur la Figure 12. La diode est une jonction PiN avec également une protection périphérique mesa/JTE (chapitre III). Le matériau utilisé est un substrat N+ avec une épitaxie N- de 50 µm d’épaisseur avec un dopage de 2×1014 cm-3. L’anode est réalisée et une épitaxie P de 2,5 µm d’épaisseur avec un dopage supérieur à 8×1018 cm-3. En commutation, la diode SiC présente un temps de recouvrement 10 fois inférieur à son homologue en silicium. Figure 12. Structure de la diode SiC PiN 4,5 kV – 180 A réalisé par Hull. Dans ces mêmes études, il a été observé une dérive de la caractéristique en direct d’une diode SiC PiN après un stress électrique en maintenant un courant élevé pendant des heures (Figure 13). La différence de potentiel augmente dans des proportions importantes, et la cause de cette altération est attribuée au développement de « stacking faults » [Jaco 03][Solo 04] qui sont des défauts d’empilement des couches dans les couches épitaxiées. Pour un certain stress électrique, les défauts se propagent. Soloviev [Solo 04] a soumis une diode bipolaire à une polarisation constante et a pu observer l’effet sur le cristal en fonction du temps, ses images sont présentées sur la Figure 14. INSA Lyon – Laboratoire Ampère / Institut Saint-Louis 35 Optimisation des étapes technologiques pour la fabrication des composants de puissance en SiC Figure 13. Caractéristiques d’une diode PiN avant et après un stress à 100 A.cm-2 pendant 1 heure réalisée par Nakayama [Naka 05]. b) a) c) Figure 14. Polarisation en direct d’une diode P+N°N+ a) au départ b) après 50 secondes c) après 150 secondes [Naka 05]. Les « stacking faults » se comportent comme des centres de recombinaison qui réduisent la durée de vie des porteurs. D’autres groupes de recherche ont également réalisé des diodes PiN SiC avec de bonnes performances, elles sont présentées dans le Tableau 4. Tableau 4. Récapitulatif de quelques résultats de diodes SiC dans la littérature. Référence Couche de « drift » (µm / cm-3) VBR (kV) If (A) Vf @ 100 A.cm-2 (V) [Suga 01] [Mcgl 99] [Sing 01] [Naka 05] [Pete 05] [Das 05] 200 / 8×1013 50 / 2×1014 150 / 3×1014 60 (C-face) / 3-5×1014 35 / 2,4×1015 100 / 2×1014 19 4,5 10 8,3 5,5 10 ? 180 200 (Pulsed) ? ? 50 8 3,17 4,8 4,1 3,1 3,8 Comparons, par exemple, une diode Si 9 kV-1,2 kA (Infineon/Eupec D2601N90T) avec la diode SiC 10 kV développée par Singh [Singh 01]. La diode Si présente une différence de potentiel de 3 V au courant nominal. La diode SiC présente une chute de tension de 12 V à 200 A. Une partie de la chute de tension est causée par les contacts ohmiques et surtout le contact de l’anode (type P). Il est donc évident que des progrès restent encore à faire sur la qualité du matériau et de la technologie pour réduire la différence de 36 Heu VANG / thèse en génie Electrique Chapitre 1 Le SiC pour l’électronique de puissance potentiel à l’état passant. Très récemment, la diode SiC 10 kV de Cree [Das 05] illustre les progrès réalisés dans la synthèse du matériau et de la technologie de fabrication. La chute de tension aux bornes de la diode n’est plus que de 6 V pour un courant de 350 A grâce à une réduction de 50% de l’épaisseur de la couche de drift et une meilleure qualité de métallisation de l’anode. En plus, une évolution de la technologie de fabrication a permis une meilleure efficacité de la protection périphérique. De même, en comparant les travaux de Mc Glothlin [Mcgl 99] et de Peters [Pete 05], ce dernier avec une couche de drift plus fine et un dopage plus élevé obtient une tenue en tension supérieure et, bien évidemment, une chute de tension aux bornes plus faible grâce aux dimensions du composant. La réalisation de Peters montre également que l’efficacité de la protection périphérique est presque optimale étant donné que la tenue en tension de la diode est proche de la tenue en tension maximale en volume. Il est intéressant de noter que, pour toutes ces réalisations, la protection périphérique employée est de type mesa/JTE. Pour la mise en place de cette structure, la gravure de SiC est indispensable. A travers la littérature, il est évident que le SiC démontre aujourd’hui tout son potentiel pour les composants de puissance avec des tenues en tension au moins deux fois supérieures aux meilleures diodes en silicium disponibles sur le marché. Les comparaisons montrent de meilleures caractéristiques électriques, notamment pour le temps de recouvrement beaucoup plus court ce qui permet d’envisager une utilisation à plus haute fréquence. De plus, les différents articles ont mis en évidence des températures de fonctionnement supérieures à 200 °C, température pour laquelle les courants de fuite des diodes Si haute tension deviennent prohibitifs. Cependant, la technologie de fabrication reste encore à améliorer, surtout concernant la métallisation sur le SiC de type P (pour l’anode des diodes) par exemple. 3.2.4. Diode Merged PiN/Schottky barrier (MPS) Quelle serait la meilleure diode si on devait choisir entre la diode Schottky et la diode bipolaire ? La Schottky a l’avantage d’avoir une faible tension de seuil et un courant de porteurs majoritaires qui exclut toute charge stockée. Elle possède par contre une tenue en tension moins élevée avec un fort courant de fuite qu’une diode PiN due à la barrière Schottky. La diode bipolaire grâce à la modulation de la conductivité par l’injection de porteurs possède une résistance différentielle faible mais présente l’inconvénient d’un temps de recouvrement pour évacuer les charges stockées. Chaque composant possède ses propres avantages, l’idéal serait de combiner les deux types de diodes. C’est ce qu’est la diode dite « MPS » pour Merged PiN/Schottky Barrier ou aussi connu sous le nom « JBS » pour Junction Barrier Schottky. INSA Lyon – Laboratoire Ampère / Institut Saint-Louis 37 Optimisation des étapes technologiques pour la fabrication des composants de puissance en SiC La structure de base est illustrée sur la Figure 15. On part d’une base de diode Schottky avec un épiwafer N+N-. Ensuite, des caissons P+ sont réalisés par implantation ionique pour former l’anode. Pour finir, une métallisation avec un contact ohmique est réalisée au dessus des plots P+ et un contact Schottky sur la couche N-. De cette manière on dispose d’une part d’un contact Schottky sur le N- et d’une jonction PN grâce aux plots P+. En régime direct, on trouve, à faible tension, le fonctionnement d’une diode Schottky puis la superposition du courant bipolaire. Alors qu’en polarisation inverse on obtient une diode PiN. En effet la zone de charge d’espace des jonctions s’étend et empêche les porteurs d’atteindre le contact Schottky. Quelques résultats de démonstrateurs de diode MPS sont présentés dans le Tableau 5. Protection JTE Anode + P P P+ P+ s P+ P m NN+ Cathode Figure 15. Structure d’une diode MPS Wu et son équipe ont réalisé une diode MPS avec une tension de blocage de 4,3 kV [Wu 04]. Cette diode a nécessité l’utilisation d’un substrat N+ avec une épitaxie de 30 µm d’épaisseur de type N dopé à 2×1015 cm-3. La structure de la protection périphérique retenue est une MJTE. Les performances obtenues sont une résistance spécifique à l’état passant de 20,9 mΩ.cm2 et une tension de seuil de 0,8 V. Toujours dans la même équipe, Alexandrov a réalisé une diode MPS avec un courant maximale de 140 A sous une polarisation de 4 V. Cette diode possède une tension de blocage de 600 V seulement. Tableau 5. Récapitulatif de quelques résultats de réalisation de diodes MPS dans la littérature. Référence Epaisseur couche de drift (µm) VBR (kV) If (A) RON (mΩ.cm2) [Wu 04] [Suga 00] [Alex 01] 30 50 6 4,3 3,6 0,8 ? ? 140 20,9 43 9,07 3.2.5. MOSFET SiC Le MOSFET est sûrement le composant qui a bénéficié du plus grand effort de la part des chercheurs. Il était assimilé à la clef du succès du SiC. En effet, si un MOSFET SiC de puissance était disponible, il permettrait 38 Heu VANG / thèse en génie Electrique Chapitre 1 Le SiC pour l’électronique de puissance d’accéder aux applications de puissance à haute fréquence. Dans la filière Si, un MOSFET avec une tenue en tension supérieure à 1 kV se révèle peu performant puisque cela entraîne une forte résistance à l’état passant. Alors qu’avec le SiC, il est théoriquement possible de réaliser un transistor à effet de champ à grille isolée avec une tenue en tension de 10 kV ayant une résistance à l’état passant plus faible qu’avec une technologie silicium. Le MOSFET SiC attire également des convoitises en microélectronique pour la réalisation d’une structure CMOS qui est la base des circuits logiques. Pour le moment, la réalité est encore loin de la théorie et la technologie actuelle présente des limites très importantes. En effet, plusieurs démonstrateurs ont été réalisés. Les premiers avaient des résistances spécifiques à l’état passant très élevées. Ceci était dû, surtout, à une mobilité effective des porteurs dans le canal très faible : de l’ordre de 7 cm2.V-1.s-1 et de 33 cm2.V-1.s-1 pour le SiC-4H et le SiC-6H respectivement [Hara 02]. Cette faible mobilité est due à une grande densité d’états à l’interface SiC/SiO2 qui était de l’ordre de 1012-1013 cm-2.eV-1. Des progrès importants ont été réalisés pour réduire cette densité d’états d’interface. Des traitements thermiques post-oxydation, notamment sous NO ou N2O [Schö 02], ont permis de réduire de manière significative les densités de défauts de deux décades. Malgré ces optimisations, la mobilité effective des électrons n’augmente que partiellement, à environ 30 cm2.V-1.s-1 et 60 cm2.V-1.s-1 pour le 4H et le 6H respectivement. On reste encore très loin de la mobilité des électrons dans le volume qui est de 900 cm2.V-1.s-1. Schörner [Schö 99] a réalisé un MOSFET sur trois polytypes le 4H, 6H et le 15R et observe que la mobilité dans le canal pour le 15R est supérieure aux deux autres. Par analyse, il observe que, quel que soit le polytype, la répartition de la densité des états d’interface reste identique avec une forte concentration près des bandes de valence. Cependant, le polytype 15R possède une bande interdite plus faible et une affinité électronique plus grande. De ce fait, une grande partie des densités d’états d’interface proche de la bande de conduction pour le 6H et le 4H ne se retrouve pas dans le polytype 15R. Il en conclut que la principale cause de la faible mobilité des électrons dans le canal est due à une forte concentration d’états d’interface près de la bande de conduction. D’autres chercheurs ont réalisé des MOSFETs sur une autre orientation du cristal que celle standard Si(0001). Senzaki, notamment, a réalisé un démonstrateur sur la face (11 2 0) dont la mobilité effective maximum est de 110 cm2.V-1.s-1 [Senz 02]. Fukuda a utilisé la face C(000 1 ) et son MOSFET présente une mobilité de 111 cm2.V-1.s-1 [Fuku 04]. Cette fois-ci les progrès sont beaucoup plus conséquents par rapport aux travaux initiaux de la face Si(0001). Bien que la densité d’états d’interface soit un peu plus faible que sur la face Si(0001), la mobilité a augmenté d’un facteur 4. Cela vient confirmer la thèse de Schörner puisque la localisation de la plus forte concentration INSA Lyon – Laboratoire Ampère / Institut Saint-Louis 39 Optimisation des étapes technologiques pour la fabrication des composants de puissance en SiC d’états d’interface est plus profonde dans la bande interdite. Malgré les bons résultats, ce sont des faces peu standard pour lesquelles les techniques d’épitaxie ne permettent pas encore d’obtenir de façon optimale des couches épaisses et de qualité. Ces travaux sont importants pour UMOSFET (MOSFET avec la grille en tranchée) puisqu’en tranchée, on peut retrouver ces orientations là. A ce jour, le record mondial de la tenue en tension d’un MOSFET SiC est de 10 kV. il est détenu par Ryu et al. De chez Cree [Ryu 04]. La structure utilisée est présentée sur la Figure 16. Une couche de drift de 85 µm avec un dopage de 8×1014 cm-3 a été nécessaire pour obtenir une telle tenue en tension avec une protection périphérique de 5 anneaux de garde. Le composant présente alors une résistance spécifique à l’état passant de 123 mΩ.cm2. Figure 16. Structure du DMOSFET 10 kV réalisé par Ryu. Le Tableau 6 présente un résumé des caractéristiques de plusieurs démonstrateurs de MOSFET SiC réalisés. Tableau 6. Récapitulatifs de quelques démonstrateurs MOSFET SiC dans la littérature. Référence Polytype VDSmax (kV) ID (A) RDSon (mΩ.cm2) [Ryu 04] [Ryu 02] [Zhan 05] [Kimo ] [Miur 06] 4H 4H 4H 4H 4H 10 2,4 1,6 1,33 1,2 ? 10 1 ? 10 123 42 50 67 5 3.2.6. JFET SiC L‘interrupteur SiC le plus avancé dans son développement à l’heure actuelle est certainement le JFET puisqu’il est au stade de la précommercialisation. C’est Infineon qui a pour le moment le plus d’avance avec notamment un cascode JFET SiC associé avec un MOSFET Si [Frie 02]. La raison de ce montage est due au fait que le JFET SiC est un composant normalement fermé (« normally on »). C’est également l’une des raisons pour laquelle ce composant n’est pas un composant de puissance dans la filière silicium, notamment pour un bras d’onduleur qui serait court-circuité dès sa 40 Heu VANG / thèse en génie Electrique Chapitre 1 Le SiC pour l’électronique de puissance mise en conduction. La seconde raison importante est la résistance à l’état passant qui reste élevée puisque le courant n’est généré que par les porteurs majoritaires et la résistance de la couche de drift étant importante pour atteindre une tenue en tension élevée comme pour le MOSFET. Depuis, les activités sur le SiC ont permis, grâce à la recherche, de nouvelles structures, de mettre en place un JFET qui soit normalement ouvert. Ainsi, Zhao a réalisé un JFET SiC normalement ouvert avec une tenue en tension de 11 kV [Zhao 04]. Sa structure est décrite sur la Figure 17. Pour tenir la tension de 11 kV, une couche de drift de type N- dopée à 4,9×1014cm-3 avec une épaisseur de 120 µm a été nécessaire entre le drain et la grille. Le composant est donc normalement ouvert grâce au canal de faible largeur. La zone de charge d’espace de la jonction PN de grille-source sans polarisation permet de pincer le canal. Pour cela, il faut que le canal de type N soit peu dopé avec une grille très dopée pour que la zone de charge d’espace s’étende fortement dans le canal. Pour mettre le JFET en conduction, il faut réduire la zone de charge d’espace dans le canal par l’application d’une polarisation positive entre la grille et la source. En réalité, on se retrouve dans le cas d’un fonctionnement proche du transistor bipolaire. Par cette structure, on obtient un composant normalement ouvert au détriment d’une impédance d’entrée faible. La résistance à l’état passant est de 168 mΩ.cm2 dont la valeur est essentiellement due à la résistance de la couche de « drift ». Figure 17. Structure du JFET normalement ouvert réalisé par Zhao. Dans le Tableau 7 figure un récapitulatif des différents résultats de réalisation de JFET SiC présents dans la littérature. La plupart des chercheurs se concentre surtout à réaliser un JFET normalement ouvert mais la réduction de la largeur du canal a tendance à faire augmenter la résistance spécifique du composant à l’état passant. C’est pourquoi les JFET SiC normalement fermés présentent plus souvent une plus faible résistance en fermeture. INSA Lyon – Laboratoire Ampère / Institut Saint-Louis 41 Optimisation des étapes technologiques pour la fabrication des composants de puissance en SiC Tableau 7. Récapitulatif de quelques démonstrateurs JFET SiC dans la littérature. Référence Polytype Type VDSmax (kV) ID (A) RDSon (mΩ.cm2) [Zhao 04] [Asan 01] [Zhao 04] [Frie 02] [Furs 04] [Zhao 04] [Gupt 02] 4H 4H 4H 4H 4H 4H 4H N. ouvert N. ouvert N. ouvert N. fermé N. ouvert N. ouvert N. fermé 11 5,55 4,34 3,5 1,53 1 600 70×10-3 30×10-3 ? 5 1,25 6 6 168 218 40 25 17,5 2,77 5 La société Infineon, par l’intermédiaire de son centre de recherche SiCED dédié au développement de composants SiC, a mis au point un JFET SiC cascode. Il s’agit, en réalité, d’un JFET SiC normalement fermé monté en cascode avec un MOSFET Si basse tension qui permet d’être un ensemble normalement ouvert (Figure 18). Le principe est présenté sur la Figure 18. Lors de la mise sous tension, le MOSFET Si bloque d’abord la tension et la différence de potentiel VDSmosfet permet ainsi de bloquer également instantanément le JFET SiC. Avec une polarisation positive sur la grille du MOSFET, celui-ci entre en conduction, VDSmosfet est alors proche de 0 V, le JFET conduit également. Actuellement SiCED propose des composants ayant une tenue en tension de 1500 V et un calibre en courant de 5 A. a) b) Figure 18. a) Montage cascode d’un JFET SiC avec un MOSFET Si réalisé par SiCED b) l’ensemble encapsulé. Il est également possible de mettre les JFETs en série (Figure 19) pour former un interrupteur avec une tension plus importante et, toujours, un seul MOSFET Si pour commander l’ensemble. Ce composant semble très prometteur puisque des premiers montages totalement basés sur des composants SiC ont été mis au point. Ils démontrent des performances supérieures aux composants Si (§4). L’inconvénient de ce composant cascode est la limitation de la température de fonctionnement dû au MOSFET Si. SiCED a donc justement ajouté une broche permettant de court-circuiter le MOSFET et de ne travailler qu’avec le JFET SiC. 42 Heu VANG / thèse en génie Electrique Chapitre 1 Le SiC pour l’électronique de puissance Figure 19. Montage en série de plusieurs JFET SiC. 3.2.7. Thyristor SiC Le thyristor est l’interrupteur des très fortes puissances dans la filière silicium, il est donc tout à fait naturel que son développement attire l’attention des chercheurs (Tableau 8). Malgré une limitation dans son utilisation à haute fréquence, sa capacité à pouvoir tenir une grande tension et passer un courant très important avec des pertes à l’état passant limitées lui confère toujours un intérêt. Dans la recherche SiC, les différents chercheurs se focalisent plus sur le thyristor GTO qui possède l’avantage d’être également commandable à l’ouverture. Ce sont surtout les applications impulsionnelles de puissance qui sont intéressées par la disponibilité d’un tel composant. Il serait possible de disposer d’un seul interrupteur pour supporter une grande tension et également supporter des températures de fonctionnement élevées. De cette manière, il est envisageable de réduire l’encombrement des systèmes de refroidissement et surtout une plus grande souplesse et robustesse dans un fonctionnement en multi-coup avec une fréquence plus élevée. Actuellement, le record mondial de la tenue en tension est de 12,7 kV soit à ce jour, l’interrupteur SiC possédant la plus grande tenue en tension. Ce démonstrateur a été réalisé par Sugawara [Suga 04]. La structure du thyristor est illustrée sur la Figure 20. Il a fallu une couche de drift de type P- dopée à 1-2×1014 cm-3 d’une épaisseur de 120 µm pour atteindre cette tension de blocage en direct. La protection périphérique utilisée était une mesa+JTE. Figure 20. Structure du thyristor GTO 12,7 kV réalisé par Sugawara. INSA Lyon – Laboratoire Ampère / Institut Saint-Louis 43 Optimisation des étapes technologiques pour la fabrication des composants de puissance en SiC Le CEGELY a réalisé en coopération avec l’Institut franco-allemand de recherche de Saint-Louis, un thyristor GTO SiC ayant une tenue en tension de 3,5 kV [Bros 05]. Comme pour la structure précédente le substrat épais doit être de type N+. De ce fait le GTO possède une gâchette d’anode, ce qui signifie que pour mettre l’interrupteur en conduction, un courant doit être prélevé de la gâchette (injection d’électrons). Le composant avait une structure gravée dont l’anode et la gâchette était sur deux niveaux différents (Figure 21). L’épaisseur de la couche de drift est de 35 µm pour un dopage de 5×1014 cm-3, ce qui permet, théoriquement, d’avoir une tenue en tension de 6 kV. La différence entre les deux valeurs de tension de blocage (théorique et expérimentale) s’explique par la forte présence de charge positive dans la couche de passivation SiO2. Figure 21. Structure du thyristor GTO 3,5 kV réalisée au CEGELY. Cette structure a posé des problèmes technologiques, notamment à cause de la métallisation de la gâchette qui était sur un niveau inférieur. Pour éviter cette étape technologique, Brosselard a développé une nouvelle structure de thyristor GTO à électrodes coplanaires qui est présentée sur la Figure 22. Ce composant fera partie d’une étude spécifique dans ce manuscrit puisqu’il servira de démonstrateur pour l’ optimisations des étapes technologiques. Gâchette Anode N+ P+ N Gâchette N+ N NN+ Cathode Figure 22. Structure du thyristor GTO à électrodes coplanaires de Brosselard. Récemment, Agarwal a réalisé un thyristor GTO SiC 1,7kV de 1×1 cm2 (Figure 23) sur la même structure que celle présentée sur la Figure 21[Agar 05]. Avec une telle surface, son thyristor est capable de commuter 100 A avec un temps de retard de 200 ns et un temps de monter inférieur à 100 ns pour des tensions supérieures à 500 V. 44 Heu VANG / thèse en génie Electrique Chapitre 1 Le SiC pour l’électronique de puissance Figure 23. Thyristor 1×1 cm2 réalisé par Agarwal en conduction. Tableau 8. Récapitulatif des thyristors GTO SiC de la littérature. Référence Polytype VBO (kV) IAK (A) VT (V) [Suga 04] [Bros 05] [Ryu 01] [Agar 05] [Li 99] 4H 4H 4H 4H 4H 12,7 3,5 3,1 1,7 800 ? 3 20 100 ? 4,3 5 5 3 4 Comme pour la diode SiC bipolaire, toutes les réalisations de thyristors SiC connaissent des problèmes technologiques. En effet, souvent la gravure SiC a été employé pour atteindre la couche de la gâchette et pour la mise en place de la protection périphérique mesa/JTE qui est la structure la plus souvent utilisé ici. La métallisation sur l’anode (type P) de mauvaise qualité engendre également une chute de tension importante à l’état passant donc des pertes élevées. 3.2.8. Résumé Les différents démonstrateurs réalisés sont conformes aux prévisions données par les propriétés du SiC. Ainsi les limitations au développement de ces composants sont souvent d’ordre technologique. La première est surtout liée à la qualité des matériaux, les recherches actuelles sur les technologies de croissance sont très avancées. Elles permettront dans un avenir proche la possibilité de réaliser des composants larges pour atteindre des courants élevés. Il subsiste également des zones d’ombre dans la technologie de fabrication. Notamment un contact ohmique sur le type P de bonne qualité reste encore difficile à réaliser. Ce paramètre est important puisque les résistances différentielles des composants bipolaires sont faibles (quelques milli-ohms). Un contact ohmique avec une résistance spécifique plus faible d’au moins une décade est donc préférable pour optimiser les pertes. De plus la gravure est une étape indispensable dans la plupart des réalisations et doit être optimisée également. INSA Lyon – Laboratoire Ampère / Institut Saint-Louis 45 Optimisation des étapes technologiques pour la fabrication des composants de puissance en SiC Les nouveaux composants de puissance en SiC présentent des nouvelles propriétés spécifiques. Ainsi, les diodes Schottky SiC remplaceront les diodes Si bipolaires dans la gamme de tension de 0 à 2-3 kV. L’avantage indéniable est un temps de recouvrement quasi inexistant par rapport aux diodes bipolaires rapides. De cette manière, lors des phases de commutation les pertes sont réduites et les interrupteurs n’ont alors plus besoin d’être surdimensionnés. La diode bipolaire SiC sera surtout inévitable pour des tensions de 2-3 kV jusqu’à 20 voir 30 kV. Son mode de conduction qui implique les porteurs minoritaires permet de moduler la résistance des couches et les pertes à l’état passant seront plus faibles que ceux de la diode Schottky. Pour les interrupteurs les applications hautes tensions (1 à 10 kV) n’étaient possibles qu’avec des IGBT Si et des thyristors Si. Dans le futur, les MOSFET SiC pourront être utilisés dans cette gamme de tension et ouvrir la voie vers des applications hautes tensions et hautes fréquences (<1 MHz). Pour les applications très hautes tensions (>10 kV), les thyristors SiC seront les composants les mieux adaptés. De par leur mode de conduction, il sera possible d’atteindre des courants très importants. Cette perspective ouvre de nouvelles voies dans le contrôle d’énergie électrique dans les réseaux de distribution. Enfin l’IGBT SiC restera un bon compromis entre le MOSFET et le thyristor pour les applications (10-20 kV) avec la possibilité de fonctionner à fréquence élevée (300 kHz). Dans le paragraphe suivant, un état de l’art des systèmes d’électronique de puissance hybride Si/SiC et/ou uniquement avec des composants SiC est présenté. Les résultats démontrent la supériorité des composants SiC pour ce type d’applications. 4. Systèmes d’électronique de puissance en SiC Depuis l’apparition sur le marché des premiers composants en carbure de silicium (les diodes Schottky SiC) l’intérêt pour cette nouvelle technologie est croissant. Ainsi, le premier circuit de démonstration hybride associant un interrupteur silicium et une diode Schottky SiC a démontré les avantages des composants SiC pour la réduction des pertes. Ce premier montage était un circuit PFC [Coya 01][Li 04] qui est présenté sur la Figure 24. Les performances mêmes ne sont que sensiblement améliorées puisque avec seulement des composants Si le rendement est déjà élevée. Par contre l’optimisation se fait concernant la réduction de l’encombrement par la 46 Heu VANG / thèse en génie Electrique Chapitre 1 Le SiC pour l’électronique de puissance suppression de composants. En effet, lors des commutations, le courant inverse de recouvrement de la diode provoque des surtensions aux bornes de l’interrupteur et une surintensité. Un circuit « snubber » est alors nécessaire pour réduire ces phénomènes non désirables. Ainsi avec l’utilisation d’une diode Schottky, il n’y a plus de courant inverse lorsque l’interrupteur se ferme, donc les circuits snubbers n’ont plus lieu d’être [Jova 05]. De plus, en l’absence de temps de recouvrement, la fréquence du système peut être plus élevée pour réduire encore davantage la taille des composants passifs tels que la bobine et le condensateur de sortie. Figure 24. Schéma d’un circuit PFC monophasé à base d’un MOSFET Si et d’une diode Schottky SiC. Un onduleur triphasé hybride de 55 kW pour l’alimentation d’un moteur a été réalisé en utilisant des IGBTs Si et des diodes Schottky SiC [Ozpi 06]. Ces dernières étaient des diodes de 600 V – 75 A fabriquées par Cree. Pour une puissance de sortie de 22 kW, le montage hybride permet une réduction des pertes d’environ 33 % avec seulement l’utilisation de diodes Schottky SiC à la place d’une diode Si ! L’utilisation du composant SiC permet également de réduire les surtensions sur l’interrupteur. Il serait également possible d’augmenter la fréquence de découpage de l’onduleur. Le JFET SiC étant l’interrupteur le plus avancé, et même en étape de précommercialisation a ouvert la porte à des systèmes de puissance complet en SiC. Bergogne et al. [Berg 06] ont ainsi réalisé à partir de JFET SiC normalement fermés de SiCED (Infineon), un bras d’onduleur sans diodes de roue libre pouvant fonctionner à 300°C (Figure 25). Cette expérience tend à montrer la qualité et les performances des composants de puissance SiC pour l’électronique haute température. a) b) Figure 25. a) Montage du bras d’onduleur et b) photo du montage réalisé par Bergogne. INSA Lyon – Laboratoire Ampère / Institut Saint-Louis 47 Optimisation des étapes technologiques pour la fabrication des composants de puissance en SiC Toujours à partir de JFET SiC normalement fermé avec une diode Schottky SiC, Kelley [Kell 06] a démontré que dans un montage hacheur dévolteur (Figure 26), l’utilisation de ce composant ne pose pas de problème de sécurité. Le montage est également performant à haute température puisque le rendement est de 95 % à 225°C. La limitation de la température vient de la diode Schottky SiC. A haute température, le courant inverse augmente ainsi que la résistance à l’état passant. Figure 26. Montage du hacheur dévolteur réalisé par Kelley. Hopkins [Hopk 06] a aussi réalisé un onduleur triphasé avec uniquement des JFETs SiC normalement fermés. Tout comme Bergogne et al., aucune diode de roue libre n’est nécessaire. Elle est présente dans la structure même du composant. Son montage avec un packaging spécialement étudié (Figure 27) permet de fonctionner en continue à 350°C avec une puissance de sortie de 60 kW sans circuit de refroidissement. Son comportement reste très fiable. Le rendement du montage s’élève à 97.5 %. Figure 27. Packaging optimisé par Hopkins pour permettre à un onduleur SiC de fonctionner à 350°C sans circuit de refroidissement. Plus récemment Miura, qui a fabriqué un MOSFET SiC avec une très faible résistance RDSON a réalisé un onduleur triphasé 3,7 kW sur une topologie SiC [Miur 06] en utilisant son interrupteur avec des diodes Schottky SiC. En comparaison avec un IGBT Si, les pertes en commutation sont réduites de manière significative. A la fermeture, la réduction est d’un facteur 2 contre 5 pour l’ouverture. L’amélioration en phase de fermeture s’explique surtout par l’utilisation de la diode Schottky qui ne présente pas de courant inverse de recouvrement. 48 Heu VANG / thèse en génie Electrique Chapitre 1 Le SiC pour l’électronique de puissance Dernièrement, Cree a indiqué sur son site Internet [Cree 06] avoir réalisé avec Kansai Corp un onduleur SiC ayant une puissance de sortie de 110 kVA. Le système est composé de thyristors SiC 4,5 kV – 100 A couplés à des diodes PiN SiC. La fréquence de découpage est de 2 kHz. D’après leur estimation, l’utilisation de composants SiC peut permettre une réduction des pertes jusqu’à 50 % par rapport à l’utilisation des composants en silicium. 5. Conclusion Les premiers systèmes de puissance à base de composants SiC ont démontré des avantages réels. Ils permettent de réduire de manière considérable les pertes à l’état passant pour les hautes tensions et surtout les pertes en commutation. Bien que les premières diodes Schottky SiC soient disponibles sur le marché, leur pénétration reste toutefois timide. L’intérêt des composants SiC est grandissant et l’expansion sera d’autant plus conséquente avec la disponibilité d’un interrupteur SiC. De cette manière, des systèmes entièrement basés sur des composants SiC permettront de mettre en valeur les atouts du SiC surtout concernant le fonctionnement en haute température. Aujourd’hui, le développement des composants de puissance en SiC reste limité par la qualité des substrats et les progrès récents permettent d’envisager un essor dans un avenir proche. Au-delà de la qualité des substrats, la technologie de fabrication n’est pas encore mature. Des efforts restent encore à faire notamment sur le dopage localisé au moyen de l’implantation ionique, sur l’interface isolant/SiC, sur la gravure du SiC, sur la métallisation en terme de stabilité en haute température et notamment les performances du contact ohmique sur type P et, enfin, sur la passivation. Les besoins des applications de l’ISL pour les modules de puissance sont des composants capable de bloquer de hautes tensions (>10kV) et d’assurer des courants impulsionnels importants (>100 kA). Le MOSFET SiC et l’IGBT SiC pourraient être des composants viables mais les difficultés rencontrées dans leur fabrication limitent encore leurs possibilités. Par contre, le thyristor de par sa conduction bipolaire est sans doute le composant le plus adaptés pour cette application avec un calibre en courant important et des pertes à l’état passant minimisées. Dans l’optique de la réalisation d’un démonstrateur pour les applications impulsionnelles de puissance de l’ISL, deux premières thèses [Arssi 02][Bros 04] ont permis la conception d’un thyristor SiC 5 kV. La première structure INSA Lyon – Laboratoire Ampère / Institut Saint-Louis 49 Optimisation des étapes technologiques pour la fabrication des composants de puissance en SiC nécessitait plusieurs étapes de gravure et la plus grande problématique était alors la difficulté de la formation du contact sur plusieurs niveaux. Ainsi dans la seconde étude, une structure présentant des électrodes (anode et gâchette) sur le même niveau était proposée. Lors de la réalisation de ces deux structures, la gravure du SiC était un des points importants notamment pour la mise en place de la protection périphérique. Les résultats présentaient alors une faible tenue en tension en partie à cause d’une surface gravée très rugueuse. Puis la métallisation sur le type P pour contacter l’anode ne présentait pas une résistance faible ce qui induisait des pertes à l’état passant importantes et un calibre en courant faible. Dans la continuité de ces premiers résultats, les travaux de cette thèse sont focalisés sur les aspects de la technologie de fabrication pour les composants de puissance en SiC (diodes bipolaires et thyristors). Le travail portera sur la technologie de fabrication des composants de puissance en SiC et plus particulièrement la gravure et la métallisation sur le type P. La gravure sera employée pour la mise en place de la protection périphérique mesa. Elle sera optimisée de manière à obtenir la meilleure efficacité de la protection. Ensuite la métallisation sur le type P qui présente aujourd’hui encore une réelle difficulté sera étudiée pour réaliser des composants bipolaires performants. 50 Heu VANG / thèse en génie Electrique
