Caractérisation, modélisation et intégration de JFET de

Chapitre 1 : Etat de l’art du SiC
Rami MOUSA
Caractérisation, modélisation et intégration de JFET de puissance en
carbure de silicium dans des convertisseurs haute température et haute tension
Thèse INSA de LYON – AMPERE
9
Chapitre 1
Etat de l’art du SiC
1 Introduction
Parmi les semi-conducteurs à large bande d’énergie interdite (AlN, BN, GaN, GaP,
SiC et le diamant), le carbure de silicium (SiC) fait l’objet d’une attention particulière de la
part de la communauté scientifique depuis 1990. L’amélioration de la qualité
cristallographique de ce matériau a permis de fabriquer des composants réellement
fonctionnels et la commercialisation des premières diodes Schottky-SiC (300 V – 10 A et
600 V – 6 A) en 2001. Les premiers résultats, démonstrateurs de PFC, révèlent des
performances prometteuses pour les applications forte puissance, haute fréquence et haute
température. Le SiC a en effet la particularité de posséder l’essentiel des propriétés physiques
du semi-conducteur idéal dans ces domaines. Ceci dit, le diamant devance par ses propriétés
électriques le SiC. Son champ électrique de claquage qui est plus important que celui du SiC
permet de réaliser des composants de très hautes tensions. Son gap encore plus grand et sa
conductivité thermique élevée lui permettent de fonctionner dans des conditions de
températures plus extrêmes que le SiC. Cependant la difficulté de synthèse des substrats
monocristallins et la difficulté de réalisation de dopage pour la fabrication des composants de
puissance à base de diamant, font du SiC le matériau le mieux placé pour l’électronique de
puissance actuellement.
2 Bref historique
Le carbure de silicium a été découvert en 1824 par accident, lors d’une expérience de
Berzellius [Berzellius'24], qui essayait de produire du diamant. En effet, le carbure de silicium
n’existe pas à l’état naturel sur Terre, Moissan [Moissan'05] en a découvert des cristaux dans
une météorite (cristaux appelés moissanite). Le premier procédé de fabrication industrielle du
SiC date de 1891, celui-ci a été mis au point par Acheson [Acheson'91] et les premières
exploitations se sont limitées à des applications liées à ses propriétés mécaniques
exceptionnelles :
dureté, pour la réalisation de poudres abrasives, revêtements d’outils de coupe ;
résistances aux agents chimiques corrosifs, pour la réalisation de céramiques de
revêtement.

Chapitre 1 : Etat de l’art du SiC
Rami MOUSA
Caractérisation, modélisation et intégration de JFET de puissance en
carbure de silicium dans des convertisseurs haute température et haute tension
Thèse INSA de LYON – AMPERE
10
Au début du siècle dernier, en 1907, H. J. Round [Round'07] découvre des propriétés
électroluminescentes du SiC, ce qui en fait l’un des premiers semi-conducteurs connus, mais
son utilisation en tant que tel ne s’est pas développée, la raison principale étant la qualité
médiocre du matériau de base obtenu (obstacle technologique). Il faut attendre les années
1950 pour retrouver une nouvelle période d’investigations. Ce sont les secteurs du militaire et
de l’aérospatial qui ont à nouveau porté un intérêt sur le SiC.
L’objectif était de développer des composants fonctionnant :
à hautes températures ;
à hautes fréquences ;
à fortes puissances en milieu hostile (températures élevées, sources de radiations...) ;
à hautes tensions.
Ces intérêts ont été amplifiés par des développements majeurs dans l’élaboration des
substrats, point clé de la viabilité de la filière SiC. En 1955, tout d’abord, Lely [Lely'55] a mis
au point une méthode de fabrication de substrats relativement purs et présentant une faible
densité de défauts. De nombreuses équipes de recherche aux États-Unis, en Russie, en
Allemagne et au Japon se lancent alors sur l’étude du SiC. Puis cet engouement a été freiné
par la possibilité d’accroître la taille des substrats qui a conduit, lors des années suivantes, à
une baisse de l’intérêt porté au SiC et à l’abandon de l’activité, sauf en Russie. La mise au
point de la technique de Lely modifiée [Tariov'78] ainsi que de la méthode Sandwich, au
début des années 1980 permettant d’obtenir des substrats plus grands, ont relancé les études
sur le SiC dans de nombreux pays : aux États-Unis, au Japon et en Europe.
En 1979, les premières diodes électroluminescentes ont été fabriquées, et en 1987 la
société Cree Research Inc a été créée puis elle a commencé à commercialiser les premiers
substrats de SiC en 1991 [Cree'08].
3 Aspect cristallographique
Une des particularités majeures du SiC est son polytypisme. Le polytypisme est en fait
une forme particulière de polymorphisme dans une direction privilégiée, le polymorphisme
étant la possibilité pour un matériau de cristalliser sous différentes formes. En 1915,
Braumhauer [Braumhauer'12] a été le premier à identifier trois types différents de SiC.
Chaque composé cristallographique, ou polytype, est caractérisé par une séquence unique
d’empilement de bicouches Si-C. Une bicouche est la superposition d’un empilement compact
d’atomes de silicium et d’un empilement compact d’atomes de carbone. Chaque bicouche
s’empile selon trois positions distinctes nommées A, B, C (figure 1). La séquence
d’empilement des bicouches peut varier considérablement : plus de 200 polytypes ont été
identifiés à ce jour [Lambrecht'97]. 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 [Ramsdell'47]
Chaque atome d’une espèce chimique se trouve au centre d’un tétraèdre formé de
quatre atomes de l’autre espèce en position de premiers voisins (figure 2) [Camassel'98].

Chapitre 1 : Etat de l’art du SiC
Rami MOUSA
Caractérisation, modélisation et intégration de JFET de puissance en
carbure de silicium dans des convertisseurs haute température et haute tension
Thèse INSA de LYON – AMPERE
11
Figure (1). Séquence d’empilement des principaux polytypes de SiC.
Figure (2). Arrangement tétragonale entre un atome de carbone et quatre atomes de silicium.
4 Propriétés électriques
Le carbure de silicium SiC est classé parmi les semi-conducteurs à large bande
d’énergie interdite. C'est-à-dire que l’énergie pour passer de la bande de valence à la bande de
conduction (Eg = 3 eV) est plus large que celle dans le silicium (Eg = 1.12 eV). Cela implique
qu’il est moins probable qu’un électron traverse cette bande par une excitation thermique. Par
conséquent, les composants en SiC peuvent travailler à des températures supérieures à celles
du Si et notamment à 500°C.
Les propriétés électriques du carbure de silicium diffèrent suivant le polytype. Le
tableau (1) résume les propriétés électriques du SiC et d’autres semi-conducteurs
[Rodriguez'05].

Chapitre 1 : Etat de l’art du SiC
Rami MOUSA
Caractérisation, modélisation et intégration de JFET de puissance en
carbure de silicium dans des convertisseurs haute température et haute tension
Thèse INSA de LYON – AMPERE
12
Propriété à
T = 300 K
Si
GaAs
SiC-3C
SiC-6H
SiC-4H
GaN
C
Eg (eV)
1.12
1.42
2.3
2.96
3.26
3.4
5.45
ni (cm-3)
1.5 1010
2.1 106
6.9
2.3 10-6
8.2 10-9
1.6 10-10
1.6 10-27
µn
(cm²/V.s)*
1200
6500
750
// C : 85
┴ C : 400
// C : 950
┴ C : 800
1000
1900
µp
(cm²/V.s)*
420
320
40
90
115
30
1600
Vsat
(cm/s)
1107
2107
2.5 107
2107
2107
2.5 107
2.7107
EC
(MV/cm)**
0.2
0.4
2
2.4
2.5
3.3
5.6
λ
(W/cm.K)
1.5
0.5
4.9
4.9
4.9
1.3
20
εr
11.8
12.8
9.6
9.7
10
8.9
5.5
Tableau (1). Comparaison des propriétés électriques des semi-conducteurs traditionnels Eg : est la largeur
de bande interdite, ni : est la concentration de porteurs intrinsèques, µn et µp : sont les mobilités de porteurs N et
P, Vsat : est la vitesse de saturation des porteurs, EC : est le champ de claquage, λ : est la conductivité thermique
et εr : est la permittivité relative. * pour ND = 1 1016 cm-3 et ** pour ND = 1 1017 cm-3.
La concentration de porteurs intrinsèques est extrêmement faible comparée à celle du
silicium, en raison du grand gap de ce matériau. C’est un paramètre important car il
conditionne pour une bonne part l’intensité des courants de fuite en inverse des jonctions
bipolaires ou Schottky. Ce paramètre est lié à la largeur de la bande d’énergie interdite ainsi
qu’aux densités d’états permis dans les bandes de conduction NC et bandes de valence NV. La
concentration de porteurs intrinsèques est donnée par la relation :
exp 2g
i C V
E
n N N kT
(1)
La figure (3) montre l’évolution de la concentration de porteurs intrinsèques en
fonction de la température en tenant compte de la variation de Eg avec la température pour les
polytypes SiC-4H, SiC-6H et SiC-3C [Raynaud'07].

Chapitre 1 : Etat de l’art du SiC
Rami MOUSA
Caractérisation, modélisation et intégration de JFET de puissance en
carbure de silicium dans des convertisseurs haute température et haute tension
Thèse INSA de LYON – AMPERE
13
Figure (3). Evolution de la concentration de porteurs intrinsèques en fonction de la température en
tenant compte de la variation de Eg avec la température pour les polytypes SiC-4H, SiC-6H et SiC-3C.
D’après la figure (3), on voit clairement que pour le 6H et le 4H, la concentration
intrinsèque reste inferieure aux dopages généralement utilisés pour le SiC (>1014 cm-3). Par
conséquent, le SiC fonctionne en régime extrinsèque jusqu’à 1000 K au minimum
[Raynaud'07].
D’après le tableau (1), on observe que le carbure de silicium possède une rigidité
diélectrique dix fois plus importante que celle du silicium. Cela signifie que pour une
épaisseur (W), la tension de claquage (en profil non punch-through) donnée par :
2
C
BEW
V
(2)
est dix fois supérieure à celle du Si. Par conséquent, pour la même tenue en tension, un
composant en SiC peut être réalisé avec une épaisseur dix fois plus faible ou bien avec un
dopage 100 fois plus élevé de la région de dérive d’une jonction PN. Ces améliorations
permettront la réalisation d’un composant avec une résistance plus faible et donc des pertes à
l’état passant plus faibles.
La formule (3) permet de calculer la résistance spécifique optimale de la région
faiblement dopée, à l’état passant, d’un composant unipolaire, et la figure (4) montre
l’évolution de la résistance spécifique en fonction de la tension de claquage [Hudgins'03].
2
3
4B
ON nC
V
RE
(3)