Etude de la tenue en tension des dispositifs de puissance en

N° d’ordre : 01 ISAL 0018
Année 2001
THESE
présentée
DEVANT L’INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE LYON
pour obtenir
LE GRADE DE DOCTEUR
Formation doctorale : Génie Electrique
École doctorale : Electronique, Electrotechnique, Automatique
par
Karine ISOIRD
(Maitre ès Sciences)
Etude de la tenue en tension des
dispositifs de puissance en carbure de
silicium par caractérisations OBIC et
électriques
Soutenue le 13 JUIN 2001 devant la Commission d’examen
Jury MM
Michel AMIET
Docteur
Examinateur
Jean CAMASSEL
Directeur de recherche CNRS
Examinateur
Jean Pierre CHANTE
Professeur
Examinateur
Mark JOHNSON
Docteur
Examinateur
Marie Laure LOCATELLI
Docteur
Directeur
Pierre MERLE
Professeur
Rapporteur
Françis MISEREY
Professeur
Examinateur
Roberta NIPOTI
Docteur
Rapporteur
Cette thèse a été préparée au laboratoire CEGELY site INSA de LYON
INSA de Lyon / Département des études doctorales
Écoles Doctorales
•
Matériaux de Lyon
INSAL – ECL -UCB. Lyon1 – Univ. De Chambéry – ENS
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2
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génétique moléculaire
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6
Etude de la tenue en tension des dispositifs de puissance en carbure de silicium par
caractérisations OBIC et électriques.
A la mémoire de mon grand-père
A mes grands-parents
A mes parents
A mes frères et sœur
7
Etude de la tenue en tension des dispositifs de puissance en carbure de silicium par
caractérisations OBIC et électriques.
8
Etude de la tenue en tension des dispositifs de puissance en carbure de silicium par
caractérisations OBIC et électriques.
Remerciements.
Je teins tout d’abord à remercier M. Jean-Pierre CHANTE de m’avoir permis de
réaliser cette thèse dans son équipe, au sein du CEntre de Génie Electrique de LYon
(CEGELY) à l’INSA de Lyon.
Je remercie tout particulièrement Marie-Laure LOCATELLI pour sa disponibilité et
la qualité de son encadrement ainsi que pour le soutien et la patience dont elle a fait preuve
tout au long de ces quatre années. L’aide et le soutien de M. Dominique PLANSON m’ont
été tout aussi utiles, notamment dans le domaine de la simulation électrique et de la
conception des jeux de masques. Je remercie M. Christophe RAYNAUD pour son aide
précieuse dans le traitement et l’analyse des caractéristiques électriques. M. Mihai LAZAR
a mon entière gratitude pour sa large participation à ces travaux, notamment en ce qui
concerne le traitement des analyses physico-chimiques et la réalisation des composants.
Je suis très honorée que Mme Roberta NIPOTI et M. Pierre MERLE aient accepté
d’être les rapporteurs de ce travail, qu’ils en soient ici remerciés. Je tiens à remercier
M. AMIET, M. MISEREY, M. CAMASSEL et M. JOHNSON d’avoir accepté d’être
membre du jury.
Je tiens à remercier la DGA et Schneider Electrics qui ont permis la poursuite de
l’étude sur la tenue en tension des composants en SiC en maintenant un soutien financier
depuis de nombreuses années.
Je remercie Mme DUBOIS (LPM) pour les analyses SIMS, l’équipe du CIME pour
leur disponibilité et leur conseil, M. PELISSIER (LMGP) pour les attaques KOH, M.
MITLHENER et son équipe (SIEMENS), Mme NIPOTI et son équipe (LAMEL) pour la
réalisation des contacts ohmiques, Mlle ORTOLLAND, M. WRIGHT et toute l’équipe de
l’université de NEWCASTLE pour la réalisation des contacts Schottky semi-transparents,
M. LEBEDEV et son équipe (IOFFE) pour les mesures DLTS.
J’exprime ma plus sincère gratitude à toute l’équipe du CEGELY (permanents et
doctorants) et notamment à M. Pascal BEVILACQUA et Mme Nicole VIALLY pour leur
disponibilité, leur sympathie et leur gourmandise. Un grand merci à toute l’équipe SiC : N.
ARSSI, N. DAVAL, L. OTTAVIANI, F. NALLET, C. PION, Z. SASSI, D. TOURNIER,
pour leur serviabilité, leur bonne humeur et leur patience.
Enfin je ne pourrais terminer sans remercier très sincèrement ceux qui ont
largement contribué à l’aboutissement de ce travail et qui me supportent depuis de
nombreuses années : JEUSS, STP, COQ’S et DREYFUS.
9
Etude de la tenue en tension des dispositifs de puissance en carbure de silicium par
caractérisations OBIC et électriques.
10
Etude de la tenue en tension des dispositifs de puissance en carbure de silicium par
caractérisations OBIC et électriques.
Table des matières.
TABLE DES MATIÈRES....................................................................................................11
TABLE DES SYMBOLES ET CONSTANTES ...................................................................15
1.
CONSTANTES : .......................................................................................................15
2.
DEFINITION DES SYMBOLES ET NOTATIONS : ..................................................15
INTRODUCTION GÉNÉRALE. .........................................................................................17
CHAPITRE 1.......................................................................................................................21
LE CARBURE DE SILICIUM : GÉNÉRALITÉS. .............................................................21
1.
P ROPRIÉTÉS ET APPLICATIONS DU S I C. .......................................................................23
1.1. Pourquoi SiC ? Et quelles applications ? ......................................................................23
1.2. Quelques dates importantes dans l’histoire du SiC. .......................................................25
2.
L E PHÉNOMÈNE DE CLAQUAGE DANS LE CARBURE DE SILICIUM . ..................................26
2.1. Le claquage en volume. ................................................................................................26
2.1.1. Le champ critique et les coefficients d’ionisation. ...................................................... 26
2.1.2. Influence de la température. ...................................................................................... 29
2.2. Le claquage localisé.....................................................................................................30
2.2.1. Nécessité des terminaisons de jonction. ..................................................................... 30
2.2.2. Influence de la qualité du matériau. ........................................................................... 32
a) Défauts structuraux.................................................................................................... 32
⇒ Les micropores..................................................................................................... 33
⇒ Les dislocations vis. ............................................................................................. 33
b) Autres défauts. .......................................................................................................... 33
3.
L ES DIODES DE PUISSANCE EN S I C. .............................................................................34
3.1. Les diodes bipolaires....................................................................................................34
3.2. Les diodes Schottky. .....................................................................................................35
3.3. Les JBS (Junction Barrier Schottky)..............................................................................36
3.4. Conclusion...................................................................................................................37
CHAPITRE 2.......................................................................................................................39
MESURE DES COEFFICIENTS D’IONISATION DU SIC–6H PAR LA TECHNIQUE
OBIC. ..................................................................................................................................39
1.
QUELQUES RAPPELS SUR LES COEFFICIENTS D’ IONISATION . .........................................41
1.1. Le facteur de multiplication M. .....................................................................................41
1.2. Les différents modèles des coefficients d’ionisation. ......................................................44
1.2.1. Modèle de WOLFF. .................................................................................................. 44
1.2.2. Modèle de SHOCKLEY. ........................................................................................... 44
1.2.3. Modèle de BARAFF. ................................................................................................ 45
1.3. Détermination expérimentale de α n et α p : état de l’art ...................................................46
11
Etude de la tenue en tension des dispositifs de puissance en carbure de silicium par
caractérisations OBIC et électriques.
1.3.1. Les différentes méthodes et structures de tests............................................................ 46
a) Les dispositifs à gain interne. ..................................................................................... 46
b) Création de porteurs en excès dans les diodes bipolaires ou Schottky ........................... 46
⇒ Cas d’une injection pure d’électrons. ..................................................................... 47
⇒ Cas d’une injection pure de trous. ......................................................................... 48
⇒ Cas d’une génération dans la ZCE ......................................................................... 48
1.4. Les coefficients d’ionisation dans le SiC. ......................................................................49
1.4.1. Les valeurs de αn et αp de A. O. Konstantinov dans le SiC–4H. ................................... 50
1.4.2. Les valeurs de αn et αp de R. Raghunatan dans le SiC–6H et SiC–4H en fonction de la
température. ...................................................................................................................................... 50
2.
L E BANC EXPÉRIMENTAL D’OBIC...............................................................................51
2.1. Principe de fonctionnement. .........................................................................................52
2.1.1. Principes physiques. ................................................................................................. 52
2.1.2. Expression théorique du photocourant. ...................................................................... 55
a) Expression du photocourant dans la zone de charge d’espace. ...................................... 56
b) Expression du photocourant dans les zones neutres. .................................................... 57
2.1.3. Spécificités liées au SiC............................................................................................ 58
2.2. Le banc de mesures, fonctionnement général et utilisations............................................58
2.2.1. Fonctionnement général. ........................................................................................... 59
2.2.2. Caractéristiques du banc expérimental d’OBIC........................................................... 59
3.
CHOIX DE LA MÉTHODE ET VALIDATION......................................................................61
3.1. Choix du dispositif de test.............................................................................................61
3.2. Description de la méthode et validation par simulation..................................................62
3.2.1. Simulation d’une injection pure de trous ou d’électrons. ............................................. 62
3.2.2. Simulation d’une injection mixte de porteurs. ............................................................ 64
3.2.3. Détermination des coefficients d’ionisation à partir des mesures OBIC d’une Schottky de
type N. .............................................................................................................................................. 67
4.
CONCEPTION ET RÉALISATION DU DISPOSITIF DE TEST. ................................................69
4.1. Conception du véhicule–test avec l’outil ISE .................................................................70
4.1.1. Rôle des paramètres des JTE sur la tenue en tension. .................................................. 73
4.1.2. Rôle des caractéristiques de la couche épitaxiée sur la tenue en tension. ...................... 74
4.2. Réalisation des diodes Schottky. ...................................................................................75
5.
MESURES ...................................................................................................................76
5.1. Caractérisation des différents paramètres technologiques..............................................76
5.1.1. Caractéristiques de la couche épitaxiée. ..................................................................... 76
5.1.2. Paramètres des JTE................................................................................................... 78
5.1.3. Caractéristiques électriques. ...................................................................................... 80
6.
CONCLUSION. ............................................................................................................81
CHAPITRE 3.......................................................................................................................83
CARACTÉRISATION DE LA TENUE EN TENSION DE DIODES BIPOLAIRES
PLANES 1,5 KV EN SIC-6H. ..............................................................................................83
1.
E TUDE DE DIODES BIPOLAIRES PROTÉGÉES PAR JTE DOPÉE BORE . ...............................86
12
Etude de la tenue en tension des dispositifs de puissance en carbure de silicium par
caractérisations OBIC et électriques.
1.1. Description des dispositifs. ...........................................................................................86
1.2. Rôle du profil de l’émetteur sur la tenue en tension. ......................................................87
1.2.1. Caractérisations électriques et analyse physico-chimique. ........................................... 87
a) Caractéristiques électriques........................................................................................ 87
b) Tension de claquage. ................................................................................................. 89
1.2.2. Mesures & Simulations OBIC. .................................................................................. 91
1.2.3. Discussion. .............................................................................................................. 93
1.3. Caractérisation des diodes avec JTE.............................................................................94
1.3.1. Analyse des caractéristiques directes et inverses à 300 K. ........................................... 94
1.3.2. Evolution des caractéristiques avec la température. .................................................... 97
a) Sous polarisation directe. ........................................................................................... 97
b) Sous polarisation inverse. .......................................................................................... 98
1.3.3. Etude de la tenue en tension. ................................................................................... 101
1.4. Conclusion................................................................................................................. 104
2.
RÔLE DE LA JTE DOPÉE ALUMINIUM SUR L’ ÉVOLUTION DE LA TENSION DE CLAQUAGE . ...
............................................................................................................................ .. 104
2.1. Descriptions des dispositifs. ....................................................................................... 104
2.1.1. JTE99’F3. .............................................................................................................. 105
2.1.2. JTE99’F4. .............................................................................................................. 105
2.2. Comparaison des performances des JTE99’F3 et JTE99’F4. ........................................ 106
2.2.1. Tests électriques à 300 K. ....................................................................................... 106
2.2.2. Etude des courants de fuite et de la tenue en tension. ................................................ 110
2.2.3. Mesures OBIC et discussion.................................................................................... 115
a) Mesures OBIC......................................................................................................... 115
b) Discussion. ............................................................................................................. 117
3.
S YNTHÈSE. .............................................................................................................. 118
CHAPITRE 4..................................................................................................................... 121
ETUDE DU COMPORTEMENT ÉLECTRIQUE DE DIODES BIPOLAIRES 5 KV EN
SIC-4H............................................................................................................................... 121
1.
CONCEPTION ET RÉALISATION DES DISPOSITIFS . ........................................................ 123
1.1. Conception des diodes bipolaires avec l’outil MEDICI. ............................................... 123
1.1.1. Tension de claquage en volume. .............................................................................. 124
1.1.2. Etude de la protection périphérique. ........................................................................ 124
a) Structure étudiée et définition des paramètres utilisés. ............................................... 125
b) Influence de la dose et de la profondeur de la protection périphérique ........................ 126
c) Influence de la longueur de la protection périphérique ............................................... 127
1.2. Description du jeu de masques.................................................................................... 128
1.2.1. Les différents types de diodes. ................................................................................ 129
1.2.2. Les motifs de tests. ................................................................................................. 129
1.3. Procédé de fabrication. .............................................................................................. 130
2.
CARACTÉRISTIQUES ÉLECTRIQUES ET ANALYSES PHYSICO -CHIMIQUES ....................... 130
2.1. Comportements typiques. ............................................................................................ 130
13
Etude de la tenue en tension des dispositifs de puissance en carbure de silicium par
caractérisations OBIC et électriques.
2.2. Analyses complémentaires. ......................................................................................... 133
2.2.1. Mesures de la résistance de contact d’anode. ............................................................ 133
2.2.2. Mesures capacitives. ............................................................................................... 134
2.2.3. Analyses SIMS. ...................................................................................................... 136
a) Emetteur. ................................................................................................................ 136
b) JTE. ....................................................................................................................... 137
3.
CARACTÉRISATION DE LA TENUE EN TENSION À TEMPÉRATURE AMBIANTE ................. 139
3.1. Influence du milieu ambiant........................................................................................ 141
3.1.1. Tests dans une huile silicone. .................................................................................. 142
3.1.2. Mesures électriques sous ambiance SF 6 en surpression. ............................................ 143
3.2. Mesures OBIC............................................................................................................ 145
3.3. Discussion. ................................................................................................................ 148
4.
CONCLUSION DU CHAPITRE . ..................................................................................... 149
CONCLUSION GÉNÉRALE. ........................................................................................... 151
BIBLIOGRAPHIE............................................................................................................. 155
ANNEXE ........................................................................................................................... 165
1.
ANNEXE A : L E BANC DE MESURES OBIC. ................................................................ 167
1.1. Le LASER .................................................................................................................. 167
1.2. Le banc optique.......................................................................................................... 167
1.3. Les appareils de tests et de mesures. ........................................................................... 170
1.4. Le pilotage du banc et le traitement des mesures. ........................................................ 171
2.
ANNEXE B : MODÈLES ET PARAMÈTRES UTILISÉS DANS LE LOGICIEL DE SIMULATION
ISE. ............................................................................................................................ .. 172
2.1. Modèles de bande interdite et masse effective.............................................................. 172
2.2. Concentrations d'électrons et de trous ........................................................................ 173
2.3. Mobilité ..................................................................................................................... 173
2.4. Mobilité à fort champ électrique ................................................................................. 173
2.5. Ionisation par impact et claquage par avalanche......................................................... 174
2.6. Module "Optik". ......................................................................................................... 174
2.6.1. Définition du faisceau optique. ................................................................................ 174
a) La direction............................................................................................................. 174
b) La longueur d’onde et intensité. ............................................................................... 175
2.6.2. Caractéristique du matériau éclairé. ......................................................................... 175
3.
ANNEXE C : CONFIGURATION DU FOUR DE RECUIT POST-IMPLANTATION . .................. 176
3.1. Configuration pour le recuit de type F3 [Ottaviani’99]................................................ 176
3.2. Configuration pour le recuit de type F4 [Lazar’01]. .................................................... 176
14
Etude de la tenue en tension des dispositifs de puissance en carbure de silicium par
caractérisations OBIC et électriques.
TABLE DES SYMBOLES ET CONSTANTES
1.
CONSTANTES :
Charge électronique élémentaire :
Constante de Boltzmann :
Constante de Planck :
q = 1,6×10-19 C
k = 1,38×10-23 J.K-1
h = 6,62×10-34 J.s
Masse de l’électron libre :
mo = 9,1×10 -31 kg
Permittivité du vide :
εo = 8,85×10-14 F.cm -1
Vitesse de la lumière :
2.
c = 3×108 cm.s -1
DEFINITION DES SYMBOLES ET NOTATIONS :
a (cm -4 )
gradient de concentration de
dopants
capacité
LP (cm)
longueur de pénétration
λ (nm)
Na (cm -3 )
Nd (cm -3)
f (Hz)
énergie d’activation
largeur de bande d’énergies
interdites
taux d’émission des
électrons et des trous.
fréquence
longueur d’onde
d’éclairement
concentration d’accepteurs
concentration de donneurs
Nv,c (cm -3 )
g
G (S)
J d (A)
J r (A)
n
m* (kg)
facteur de dégénérescence
conductance
densité de courant direct
densité de courant inverse
coefficient d’idéalité
masse effective
R s (Ω)
T (K)
VBR (V)
Vd (V)
VR (V)
Ln,p (µm)
εr
permittivité diélectrique du
matériau
conductivité thermique
σn,p (cm -2)
τn,p (s)
concentration de centres
profonds
densités d’états dans les
bandes de conduction et de
valence.
Résistance série
température
tension de claquage
tension directe
tension inverse
longueur de diffusion des
porteurs
section de capture des
électrons et des trous.
durée de vie des porteurs
coefficient d’absorption
optique
µn,p (cm2 /V.s)
mobilité des porteurs
C (F)
Ea (eV)
Eg (eV)
en,p
λ th
(W/cm.K)
α (cm-1)
Nt (cm -3 )
15
Etude de la tenue en tension des dispositifs de puissance en carbure de silicium par
caractérisations OBIC et électriques.
16
Etude de la tenue en tension des dispositifs de puissance en carbure de silicium par
caractérisation OBIC et électriques.
Introduction Générale.
Les propriétés physiques du carbure de silicium (SiC) font de ce matériau un
bon candidat pour les applications haute tension, haute fréquence, haute température et
forte puissance. Son champ critique environ sept fois supérieur à celui du silicium
permet de réduire l’épaisseur et d’augmenter le dopage de la couche semi-conductrice
pour supporter une même tension inverse. Sa bonne conductibilité thermique proche de
celle du cuivre, son grand gap et son excellente vitesse de saturation des porteurs sont
autant d’avantages qui contribuent au grand intérêt porté au SiC par le CEGELY dès
1991.
L’objectif des recherches menées au CEGELY est de concevoir, réaliser et
caractériser des dispositifs plus ou moins haute tension (600 V à 5 kV) en SiC. La
conception de nouveaux types de composants et l’étude de la tenue en tension de diodes
bipolaires en sont les deux axes principaux.
L’objectif de tenue en tension de 5 kV nécessite la mise au point de différentes
étapes technologiques sur des diodes de plus faibles calibres en tension (1,5 kV). La
connaissance de certains paramètres physiques ainsi que l’identification des différents
mécanismes intervenant lors du claquage du composant sont indispensables pour
optimiser la conception et la réalisation de démonstrateurs haute tension en SiC. Un des
objectifs de ces travaux de thèse est d’extraire les coefficients d’ionisation des électrons
et des trous du matériau à partir du facteur de multiplication mesuré par méthode OBIC
(Optical Beam Induced Current) pour évaluer de manière précise la tenue en tension de
dispositifs en SiC. D’autre part, afin d’exploiter au maximum les performances
électriques du matériau et d’optimiser le compromis chute de tension à l’état passant et
tenue en tension, il est nécessaire de protéger la périphérie des composants pour
atteindre une tension de claquage proche de celle en volume. La création de caissons P
ou P+ par implantation ionique d’aluminium est une étape importante (objet au CEGELY
des thèses de L. Ottaviani (1999), E. Morvan (1999) et M. Lazar en cours). Elle permet
de réaliser des jonctions émettrices et des protections périphériques telles que des JTE
(Junction Termination Extension), de meilleure qualité pour se rapprocher de la tenue en
tension volumique des dispositifs. L’étude expérimentale du comportement de ces
protections périphériques et l’identification des différents paramètres intervenant sur
17
Introduction Générale.
leur efficacité constituent une tâche importante en vue de l’augmentation de la tenue en
tension des dispositifs en SiC, c’est le second objectif principal de nos travaux. Les
principaux résultats de caractérisations et de simulations électriques et OBIC de diodes
bipolaires ou Schottky sont présentés dans ce mémoire.
Le premier chapitre rappelle les principales propriétés physiques et électriques
des polytypes du SiC les plus employés. Il fait aussi état des différents mécanismes mis
en jeu lors du claquage par avalanche ou assistés par des défauts, des dispositifs de
puissance en s’appuyant sur un état de l’art de la technologie du SiC et des
démonstrateurs de puissance réalisés.
En 1997 le laboratoire s’est muni d’un nouveau moyen de caractérisation, le
banc de mesure OBIC (Optical Beam Induced Current) dont le principe et la description
sont détaillés dans le second chapitre. Cette technique couramment employée pour la
caractérisation du comportement sous polarisation inverse des composants en silicium a
été adaptée au carbure de silicium. L’une des utilisations de cette méthode d’analyse est
l’extraction des coefficients d’ionisation à partir de véhicule-test dont la conception et
une partie de la réalisation ont été effectuées au laboratoire. La structure de test, la
méthode de mesures et les principaux résultats obtenus sont décrits dans le CHAPITRE
2.
L’autre principale utilisation du banc expérimental OBIC, complétée par des
analyses électriques et physico-chimiques (I(V), C(V), SIMS, MEB….), est l’étude de
l’influence de la périphérie sur le claquage prématuré des dispositifs 1,5 kV. Le
CHAPITRE 3 présente les différents résultats de simulations et expérimentaux de diodes
proposant des différences, notamment dans la réalisation de la protection périphérique.
Le dernier chapitre expose les différentes étapes de la mise en œuvre de diodes
bipolaires et Schottky en SiC-4H de tenue en tension théorique 5 kV. Dans cette partie
nous présenterons brièvement l’étude de conception réalisée à l’aide de l’outil de CAO
Medici et la réalisation des prototypes. Enfin, nous exposerons le détail des résultats
expérimentaux acquis avant de les analyser.
Une synthèse finale permettra de dégager les avancées réalisées et les problèmes
persistant, autant dans la réalisation que dans la caractérisation des composants haute
tension en SiC. Ceci permettra notamment de dégager les prospectives d’exploitation à
18
Introduction Générale.
court et moyen termes de la technique de caractérisation OBIC pour contribuer à
l’obtention de composants de puissance en carbure de silicium optimisés et performants.
19
Introduction Générale.
20
Etude de la tenue en tension des dispositifs de puissance en carbure de silicium par
caractérisations OBIC et électriques.
CHAPITRE 1
Le Carbure de silicium : Généralités.
1.
PROPRIÉTÉS ET APPLICATIONS DU SIC..........................................................23
1.1. P OURQUOI S I C ? E T QUELLES APPLICATIONS ?.............................................................23
1.2. QUELQUES DATES IMPORTANTES DANS L’ HISTOIRE DU S I C...........................................25
2.
LE PHÉNOMÈNE DE CLAQUAGE DANS LE CARBURE DE SILICIUM...........26
2.1. L E CLAQUAGE EN VOLUME . .........................................................................................26
2.1.1. Le champ critique et les coefficients d’ionisation. .......................................................26
2.1.2. Influence de la température. ......................................................................................29
2.2. L E CLAQUAGE LOCALISÉ . ............................................................................................30
2.2.1. Nécessité des terminaisons de jonction. ......................................................................30
2.2.2. Influence de la qualité du matériau. ...........................................................................32
a) Défauts structuraux. ....................................................................................................... 32
⇒ Les micropores. ........................................................................................................ 33
⇒ Les dislocations vis................................................................................................... 33
b) Autres défauts. .............................................................................................................. 33
3.
LES DIODES DE PUISSANCE EN SIC. .................................................................34
3.1. L ES DIODES BIPOLAIRES . .............................................................................................34
3.2. L ES DIODES SCHOTTKY . ..............................................................................................35
3.3. L ES JBS (J UNCTION BARRIER S CHOTTKY ). ..................................................................36
3.4. CONCLUSION . .............................................................................................................37
21
Etude de la tenue en tension des dispositifs de puissance en carbure de silicium par
caractérisations OBIC et électriques.
22
Etude de la tenue en tension des dispositifs de puissance en carbure de silicium par
caractérisations OBIC et électriques.
CHAPITRE 1
Le carbure de silicium : Généralités.
La plupart des composants utilisés actuellement dans les différents domaines de
l’électronique
sont
en
silicium.
Toutefois
les
limitations
physiques
et
non
technologiques de ce matériau ont initié la recherche sur d’autres types de matériau et
notamment les composés III-V (GaAs, GaN…) ou des semi-conducteurs tels que SiC.
1.
Propriétés et applications du SiC.
1.1. Pourquoi SiC ? Et quelles applications ?
SiC existe sous différentes formes cristallines appelées polytypes on en connaît
plus de 170 à ce jour. Dans cette thèse on ne s’intéressera qu’à deux d’entre eux :
SiC-6H et SiC-4H. Le carbure de silicium possède des propriétés physiques qui le
rendent très attractif pour un large domaine d’applications :
• C’est un matériau à large bande interdite (Eg ≥ 2,3 eV), le nombre de porteurs
intrinsèques est donc très faible par rapport au silicium (ni = 2,3 10 -6 cm-3 à
300 K pour SiC-6H), le courant de fuite inverse des dispositifs reste faible à
hautes températures d’où l’intérêt pour des applications à haute température
notamment dans le secteur de l’automobile.
• Son champ électrique critique élevé (Ec = 2 à 3 MV/cm) lui permet de tenir la
tension sur une couche environ 10 fois moins épaisse et 50 fois plus dopée
qu’avec le silicium. Cela permet donc d’améliorer le compromis chute de
tension à l’état passant, tenue en tension. De plus sa conductivité thermique
(λ th ) est proche de celle du cuivre ce qui en fait un candidat idéal pour des
applications forte puissance dans le domaine de la traction, des protections
de réseau électrique ou de la transmission et de la distribution d’énergie.
• La vitesse de saturation (Vsat ) des porteurs deux fois supérieure à celle du
silicium laisse envisager la réalisation de composants hautes fréquences
utilisables particulièrement dans les télécommunications.
23
CHAPITRE 1
Le Carbure de silicium : Généralités.
• Ses propriétés mécaniques et sa résistance aux radiations lui permettent d’être
employé dans des milieux hostiles et dans des installations nucléaires ou
spatiales.
Un point négatif est la mobilité des porteurs qui est très faible par rapport à d’autres
matériaux comme le silicium ou GaAs (Tableau 1–1).
Matériau Eg (eV)
Si
GaAs
GaP
GaN
SiC-3C
SiC-4H
SiC-6H
C
1,1 (I)
1,4 (D)
2,3 (I)
3,3 (D)
2,2 (I)
3,26 (I)
3 (I)
5,45 (I)
ni
εr
µn
à 300 K
(cm 2/V.s)
(cm -3)
1350
1,5×1010 11,8
6
8500
1,8×10 12,8
350
7,7×10 -1 11,1
-10
9
900
1,9×10
6,9
9,6
900
1000
8,2×10 -9 10
-6
9,7
380
2,3×10
-27
5,5
1900
1,6×10
Ec
µp
(cm 2/V.s) (MV/cm)
600
400
100
0,3
0,4
1,3
3,3
1,2
2,9
2,7
5,6
40
115
70
1600
Vsat
λ th
(107 cm/s) (W/cm.K)
1
2
1,4
2,5
2
2
2
2,7
1,5
0,5
0,8
1,3
4,5
4,5
4,5
20
Tableau 1–1 : Propriétés physiques de différents matériaux semi-conducteurs.
Les facteurs de mérite permettent de comparer différents matériaux semiconducteurs en fonction de leurs propriétés physiques. La figure suivante (Fig. 1–1)
montre les avantages des différents semi-conducteurs en fonction du facteur de mérite
de Johnson (JFM =
E C .Vsat
, critère de choix du matériau pour les fortes puissances et
2π
hautes fréquences), du facteur de mérite combiné (CFM = λ th .ε.µ.Vsat .E C2 ) et de la largeur
de la bande interdite.
C
Eg (eV)
5
SiC-4H
GaN SiC-6H
3
SiC-3C
1
GaAs
20
10
JFM
61
Si
21
0 1
81
41
M
CF
Fig. 1–1 : Comparaison des différents matériaux semi-conducteurs.
24
CHAPITRE 1
Le Carbure de silicium : Généralités.
On constate que le diamant (C) est très avantageux, cependant les étapes
technologiques pour fabriquer les composants restent très difficiles à réaliser. GaN et
SiC sont pour l’instant les meilleurs candidats potentiels pour remplacer le Si.
Au laboratoire les recherches sont axées essentiellement dans le domaine de la
puissance, notamment pour la conception de composants de puissance : diode bipolaire
haute tension (5 kV), thyristor haute tension et limiteur de courant.
1.2. Quelques dates importantes dans l’histoire du SiC.
Le Carbure de silicium a été découvert en 1824 par un suédois lors d’une
expérience pour produire du diamant. Le premier procédé de fabrication est élaboré en
1891 par E. G. Acheson. Mais il faut attendre 1893 pour qu’un scientifique français
découvre SiC à l’état naturel (Moissanite) dans une météorite aux Etats-Unis. Au début
du siècle (1907) les propriétés électroluminescentes du SiC sont découvertes par
l’électronicien H.J. Round. L’exploitation du SiC commence en 1950 avec la mise au
point du procédé de croissance par Lely. Très vite le matériau est abandonné sauf en
U.R.S.S. car les substrats obtenus sont de trop petites tailles. Il faudra attendre la fin des
années 1970 et des nouvelles méthodes de croissance pour relancer la recherche sur SiC.
C’est en 1979 que la première LED en SiC voit le jour. Les premiers composants haute
tension (1000 V pour une diode bipolaire et 400 V pour une diode Schottky)
apparaissent au début des années 1990. Depuis de nombreux démonstrateurs ont été
réalisés confirmant ainsi les potentialités du SiC pour les applications haute tension,
forte puissance. Un fait marquant de l’année 2000 est la commercialisation de dispositifs
en carbure de silicium. Le premier composant à être mis sur le marché (janvier 2000)
par Cree Research Inc. (USA) est un MESFET (10 W, 2GHz, 48 V). Par la suite, c’est
Microsemi Corp. (USA) et Infineon Technologies (Allemagne) qui ont annoncé la
commercialisation de diodes Schottky. La dernière annonce en date (octobre 2000)
concerne le transfert technologique de Daimler Chrysler vers une société américaine
Vishay Intertechnology Inc. en vue d’une commercialisation de diodes Schottky et JBS
(Junction Barrier Schottky).
25
CHAPITRE 1
Le Carbure de silicium : Généralités.
2.
Le Phénomène de claquage dans le carbure de silicium.
Ce phénomène est caractérisé par la tension de claquage VBR , qui est la tension
maximale que peut supporter un composant à l’état bloqué. Considérons une jonction
PN quelconque. Lorsqu’elle est soumise à une polarisation inverse, le courant mesuré à
ses bornes reste faible et varie très peu avec la tension. Quand la tension de polarisation
est proche de VBR , on constate une variation importante du courant. On dit alors que le
composant est claqué. Cet accroissement du courant peut entraîner la destruction totale
ou partielle du dispositif. Ces variations peuvent être dues à une augmentation du
nombre de porteurs dans tout le dispositif (à la jonction) ou localement.
2.1. Le claquage en volume.
Supposons une jonction plane infinie, alors l’augmentation très rapide du
courant inverse est due à la multiplication par avalanche des porteurs qui participent au
courant. Sous l’effet d’un fort champ électrique, les porteurs sont accélérés et lors d’un
choc avec les atomes du réseau, ils peuvent créer d’autres porteurs, on dit alors qu’il y a
multiplication par avalanche des porteurs (ce phénomène sera décrit plus en détail dans
le chapitre suivant). Pour évaluer théoriquement la tension de claquage des dispositifs il
est nécessaire de connaître le champ critique (Ec ) et les coefficients d’ionisation (αn et
αp ).
2.1.1. Le champ critique et les coefficients d’ionisation.
Les coefficients d’ionisation sont définis comme le nombre de porteurs créés
par un électron ou par un trou par unité de longueur parcourue parallèlement au champ
électrique (voir CHAPITRE 2 § 1.2.).
Le champ électrique critique est le champ électrique maximal atteint à la
jonction quand V = VBR et qui procure suffisamment d’énergie aux porteurs pour induire
la multiplication par avalanche.
Si on considère une jonction P+ NN+ (Fig. 2–1) non tronquée (la largeur de la
zone de charge d’espace (W ZCE ) quand V = VBR est inférieure à l’épaisseur de la couche
épitaxiée (WN)), alors le champ électrique a un profil triangulaire, on néglige l’extension
26
CHAPITRE 1
Le Carbure de silicium : Généralités.
de la ZCE dans la zone la plus dopée. Le champ électrique atteint sa valeur maximale à
la jonction et s’exprime sous la forme suivante :
2qN bVbr
ε
Ec =
(1)
(V / cm)
où q est la charge élémentaire, Nb est le dopage de la couche N et VBR est la
tension de claquage du dispositif et ε la permittivité du matériau.
Ec
E (V/cm)
Wn
P+
N
N+
x (µm)
Wzce
Fig. 2–1 : Profil du champ électrique dans une structure P +NN+ à jonction abrupte
non tronquée.
Pour améliorer le compromis résistance spécifique à l’état passant/tenue en
tension, on préfère utiliser une couche épitaxiée de plus faible épaisseur et plus dopée,
on a alors une zone de charge d’espace tronquée.
Si l’on considère maintenant une jonction abrupte dont la ZCE est tronquée
(Fig. 2–2) où W ZCE ≈ W N quand V = VBR, alors le profil du champ électrique est
trapézoïdal et le champ critique s’écrit :
Ec =
V0 + Vbr
W0
(V / cm)
(2)
(cm)
(3)
avec
W0 =
2εV0
qN b
où V0 est la tension nécessaire pour déserter totalement la couche N d’épaisseur
W0.
27
CHAPITRE 1
Le Carbure de silicium : Généralités.
Ec
E (V/cm)
P+
N
N+
W0
x (µm)
Fig. 2–2 : Profil du champ électrique dans une jonction abrupte P +NN+ tronquée.
Plusieurs études ont été menées afin de déterminer expérimentalement les
coefficients d’ionisation du SiC. A partir de ces résultats, les variations du champ
critique en fonction du dopage de la couche épitaxiée ont été calculées numériquement
(Fig. 2–3). Les valeurs des coefficients d’ionisation et du champ critique ont permis de
tracer des abaques de tenue en tension en fonction des caractéristiques (dopage,
épaisseur) de la couche active (Fig. 2–4). De ce réseau de courbes les auteurs ont pu
déduire une forme analytique permettant d’évaluer la tension de claquage pour une
jonction abrupte non tronquée (Fig. 2–5).
4,4
4,2
4,0
4
(1/7)
SiC-6H [Raghunathan'99]
4
(1/7)
SiC-4H [Raghunathan'99]
Ec = 1,52.10 .Nb
Ec = 1,64.10 .Nb
6
16
Ec = 2,49.10 /(1-0,25.log(Nb/10 )) SiC-4H [Konstantinov'98]
3,8
Ec (MV/cm)
3,6
3,4
3,2
3,0
2,8
2,6
2,4
2,2
2,0
15
10
16
10
17
-3
10
Nb (cm )
Fig. 2–3 : Variation du champ critique en fonction du dopage de la couche épitaxiée à
300 K.
28
CHAPITRE 1
Le Carbure de silicium : Généralités.
4
W
W
W
W
W
3
5x10
3
4x10
= 10 µm
= 20 µm
= 30 µm
= 40 µm
= 50 µm
Tension de claquage (V)
Tension de claquage (V)
4
103
9x103
8x10
3
7x10
3
6x10
3
3x10
3
2x10
SiC-4H [Konstantinov'98]
5
7
α = 4*10 exp(-1.67*10 /E)
7
103
9x103
8x10
3
7x10
3
6x10
5x10
3
4x10
3
3x10
3
2x10
3
16
10
-3
Dopage de la couche active (cm )
10
20
30
40
50
µm
µm
µm
µm
µm
4
7
α = 8*10 exp(-1.79*10 /E)
6
3
=
=
=
=
=
SiC-4H [Ragunahthan'99]
7
β = 1.63*10 exp(-1.67*10 /E)
10
15
10
W
W
W
W
W
10
3
10
7
β = 3.25*10 exp(-1.79*10 /E)
15
-3
Dopage de la couche active (cm )
10
16
Fig. 2–4 : Tension de claquage pour différentes épaisseurs de la couche épitaxiée en
fonction du dopage à 300 K.
4
VBR (V)
10
3
10
14
(-5/7)
SiC-6H [Raghunathan'99]
14
(-5/7)
SiC-4H [Raghunathan'99]
VBR = 6.3*10 *Nb
VBR = 7.5*10 *Nb
16
2
10
15
10
VBR = 1720*(10 /Nb)
0.8
SiC-4H [Konstantinov'98]
16
10
-3
Dopage de la couche active (cm )
17
10
Fig. 2–5 : Variation de la tension de claquage pour une jonction abrupte non
tronquée en fonction du dopage de la couche épitaxiée à 300 K.
2.1.2. Influence de la température.
Comme pour d’autres matériaux, l’effet de la température semble être bénéfique
à la tenue en tension des dispositifs en carbure de silicium. On constate une diminution
des coefficients d’ionisation avec la température [Ragmunahtan’99], ce qui tend à faire
croître la tension de claquage quand la température augmente. En effet lorsque la
température croît, le libre parcours moyen entre deux chocs avec un phonon diminue.
Donc l’apport d’énergie doit être plus important pour obtenir des collisions ionisantes.
On aura donc une meilleure tenue en tension quand la température de jonction sera plus
élevée.
29
CHAPITRE 1
Le Carbure de silicium : Généralités.
2.2. Le claquage localisé.
Bien souvent le claquage des dispositifs apparaît pour des tensions inférieures à
la tension de claquage en volume (VBRTH déterminée théoriquement). Cela peut
s’expliquer soit par l’effet de la périphérie de la jonction que nous avons négligé dans le
paragraphe précédent soit par la présence de défauts électriquement actifs ou
structuraux.
2.2.1. Nécessité des terminaisons de jonction.
Lorsqu’on applique une tension inverse sur une jonction plane quelconque, les
équipotentielles tendent à se resserrer aux courbures , en particulier en périphérie de la
jonction (Fig. 2–6). Ceci se traduit par la présence d’un pic de champ électrique très
localisé en bordure du dispositif qui va provoquer le claquage prématuré du composant.
Pour obtenir une tension de claquage la plus proche possible de celle déterminée
théoriquement (VBRTH), il est nécessaire de protéger la périphérie du composant en
permettant une meilleure répartition du potentiel électrique à l’extrémité de la jonction.
Contact
P+
N
Fig. 2–6 : Resserrement des équipotentielles en périphérie d’une jonction P+N.
Il existe plusieurs sortes de protection de jonction couramment employées pour
les composants en silicium [Baliga’87]. Ici nous ne détaillerons que celles qui sont le
plus fréquemment utilisées avec SiC (Fig. 2–7) :
• Les anneaux de garde implantés : ils sont polarisés grâce à l’extension latérale
de la ZCE, ce qui leur permet d’étaler les lignes de potentiel. Toutefois cette
30
CHAPITRE 1
Le Carbure de silicium : Généralités.
technologie est difficilement applicable au SiC en raison des faibles
distances inter-anneaux nécessaires et des courtes longueurs d’anneaux pour
obtenir une bonne efficacité.
• Les plaques de champ : le prolongement de la métallisation sur l’oxyde permet
un étalement des équipotentielles en périphérie de l’émetteur. L’efficacité de
cette protection dépend de l’épaisseur d’oxyde et de l’extension de la
métallisation. La qualité de l’interface oxyde/semi-conducteur et notamment
la quantité de charges présentes peut avoir une influence non négligeable sur
l’effet de la protection.
• La protection de type MESA : cette technique est incontournable pour les
diodes dont l’émetteur est épitaxié, elle est aussi employée pour des
composants dont la jonction est réalisée par implantation. La jonction est
terminée par une gravure verticale, ce qui évite la présence d’un fort champ
en périphérie de la zone P + , qui apparaît alors au pied de la gravure
[Lanois’97]. Les paramètres influents sur l’efficacité sont l’angle de gravure
(θ) et la profondeur (p).
• Les extensions de terminaison de jonction implantées que l’on nomme
couramment JTE (Junction Termination Extension) : ce sont des caissons
(poches) de type P moins dopés que l’émetteur. Le claquage intervient
lorsque les poches sont totalement désertées, on obtient alors un pic de
champ maximal équivalent en bord de poche et d’émetteur. La longueur et la
dose d’implantation sont les deux paramètres à optimiser pour assurer une
bonne efficacité de cette protection.
Le choix de la protection pour un composant se fait en fonction de son efficacité et
des contraintes liées à la réalisation technologique. Toutes ces techniques sauf la gravure
MESA sont également utilisées pour les composants unipolaires avec succès. On
retrouve même une combinaison de ces techniques sur des dispositifs haute tension,
[Sugawara’00], pour améliorer l’efficacité de la protection.
La protection par gravure MESA a été étudiée au laboratoire [Planson’94],
[Lanois’97], avant d’être abandonnée au profit des JTE implantées, théoriquement plus
efficace, [Ortolland’97].
31
CHAPITRE 1
Le Carbure de silicium : Généralités.
Anneaux de garde
Anode
Oxyde
Emette ur
Couche épitaxiée
Emetteur
Couche épitaxiée
Substrat
Substrat
Cathode
Drain
Cathode
(a)
Drain
(b)
Anode
p
Emetteur
q
Couche épitaxiée
Substrat
Cathode
Anode
Emetteur
JTE
Couche épitaxiée
Substrat
Drain
Cathode
(c)
Drain
(d)
Fig. 2–7 : Différentes protections périphériques : (a) anneaux de garde, (b) plaques de
champ, (c) structure MESA, (d) extension latérale de jonction implantée (JTE).
2.2.2. Influence de la qualité du matériau.
On peut distinguer deux types de défauts influant sur la tenue en tension des
dispositifs de puissance en SiC : les défauts intrinsèques au matériau tels que les
micropores ou les inclusions et les défauts introduits par des étapes technologiques
comme l’implantation ionique.
a) Défauts structuraux.
Ce sont des défauts qui apparaissent lors de la croissance du matériau. Ils
peuvent provenir soit du substrat (micropores, dislocations) soit de la couche épitaxiée
(inclusions de polytype SiC-3C…). Leur influence sur le comportement des dispositifs
peut être très néfaste.
32
CHAPITRE 1
Le Carbure de silicium : Généralités.
⇒ Les micropores.
Ces défauts apparaissent dans le substrat et se propagent parallèlement à l’axe
de croissance C pouvant ainsi traverser de part en part les différentes couches. Leurs
diamètres peuvent varier de 0,1 µm à quelques dizaines de microns. La présence de
micropores au voisinage d’un composant peut entraîner une diminution de la tenue en
tension (Tableau 2–1). Malgré une évolution dans la qualité du matériau, ces défauts
sont souvent à l’origine du mauvais fonctionnement des dispositifs de grande tailles
[Neudeck’00].
⇒ Les dislocations vis .
Il s’agit certainement du type de défauts le plus néfaste pour les composants de
puissance. Elles influent sur la tenue en tension mais aussi sur le comportement en direct
des dispositifs. Contrairement aux micropores peu de progrès ont été faits pour réduire
leur nombre. Il apparaît assez difficile d’éviter la présence de ce genre de défauts dans
les dispositifs dont la surface excède 1 mm 2 .
Type de
Densité en Densité en
défauts
1995 (cm-2) 2000 (cm-2)
Micropores
< 100
< 30
Dislocations
vis
Inclusions
de SiC-3C
3000 à
10000
3000 à
10000
<5
Source des
défauts
Substrat
Impact sur le
comportement électrique
Réduction du VBR > 50 %,
microplasmas, augmentation
du courant de fuite
Substrat
Réduction du VBR > 50 %,
microplasmas, réduction de
la durée de vie
Croissance du Réduction du VBR > 50 %,
substrat et des augmentation du courant de
épitaxies
fuite
Tableau 2–1 : Tableau récapitulatif des défauts structuraux et de leurs influences sur
la tenue en tension [Neudeck’00].
b) Autres défauts.
L’implantation d’ions tels Al ou B pour la création de régions de conductivité
de type P peut ainsi créer des défauts cristallins intrinsèques (lacunes…) ou extrinsèques
(interstitiels…). Ces défauts sont généralement éliminés par un recuit post implantation
adéquat. Cependant certains d’entre eux peuvent subsister et créer des niveaux profonds
dans la bande interdite du SiC. Ces défauts sont généralement à éviter car ils peuvent
provoquer un vieillissement prématuré des dispositifs ou des dysfonctionnements.
33
CHAPITRE 1
Le Carbure de silicium : Généralités.
Un inconvénient du SiC est que les niveaux énergétiques que l’on appelle
superficiels de l’aluminium ou du bore sont situés assez loin de la bande de valence
(0,2 eV pour l’Al et 0,3 pour le Bore). Ces valeurs élevées sont responsables du fait qu’à
température ambiante seule une petite fraction des dopants est ionisée. Bien sûr, la
présence d’un champ électrique permet d’ioniser complètement les dopants. Quoiqu’il
en soit, l’ionisation des dopants en fonction de la température ainsi que la présence de
défauts profonds peut contribuer à une instabilité du comportement sous polarisation
inverse et de la tenue en tension [Neudeck’96], notamment lors de l’étude en régime
pulsé. Cela peut aussi donner lieu à une diminution de la tension de claquage lorsque
l’on augmente la température [Lebedev’97].
3.
Les diodes de puissance en SiC.
L’une des applications des diodes de puissance SiC est l’utilisation de ces
composants dans les cellules de commutation des convertisseurs de puissance. La
réalisation récente de démonstrateurs de cellules de commutation utilisant des diodes
SiC (IGBT Si/PiN SiC, [Lendenmann’00], IGBT Si/ Schottky SiC [Peters’01]) a permis
de confirmer expérimentalement les améliorations apportées par l’utilisation du SiC en
électronique
de
puissance
(diminution
des
pertes,
fonctionnement
à
haute
température…). Il est important de souligner que les diodes utilisées dans ces modules
sont de grande taille et ont été réalisées volontairement sur des zones du substrat
exempts de défauts (micropores, dislocations vis).
3.1. Les diodes bipolaires.
Les premières diodes capables de tenir des tensions élevées (1000 V à 4500 V)
étaient des structures protégées par gravure MESA et de petite taille [Kordina’95].
Aujourd’hui, grâce notamment à l’amélioration de la qualité du matériau et à
l’augmentation de la vitesse de croissance des couches épitaxiées permettant l’obtention
de couches de plus en plus épaisses, de nombreux prototypes de grande taille (≥ 1 mm2)
ont une tenue en tension proche de 5 kV. Les jonctions principales de ces dispositifs
sont généralement réalisées par implantation dans des couches épitaxiées de SiC-4H,
toutefois certains démonstrateurs présentent un émetteur épitaxié. Les terminaisons de
34
CHAPITRE 1
Le Carbure de silicium : Généralités.
jonction employées sont souvent une combinaison de plusieurs techniques (MESA et
JTE, double JTE…). Les performances des dispositifs présentant un bon compromis
chute de tension à l’état passant/tenue ne tension sont reportées dans le Tableau 3–1.
A noter que le record de tenue en tension d’une diode bipolaire est aujourd’hui
de 12,3 kV. Ce résultat obtenu sur un dispositif de petite taille a été annoncé par Cree
Research Inc. en octobre 1999 sans préciser les performances sous polarisation directe
du composant.
[Kordina’95] [Peters’00] [Sugawara’00] [Lendenmann’01]
Référence
45 µm
39 µm
50 µm
45 µm
Caractéristiques
15
-3
15
-3
15
-3
de la couche
1×10 cm
2×10 cm
1×10 cm
1,8×1015 cm -3
active
SiC-6H
SiC-4H
SiC-4H
SiC-4H
Implanté Al
Epitaxié
Implanté Al-B
Type d’émetteur
MESA
Double JTE MESA – JTE
JTE
Type de
protection
périphérique
Oxyde +
Oxyde
Oxyde
Passivation
nitrure
100
80
100
100
Jd (A/cm2 )
6
3,7
4,7
3,4
Vd (V)
9
Jr (A/cm2 )
4,5
4,8
6,2
>5
VBR (kV)
> 6,5
5,5
7,6
5,8
VBR calculé (kV)
-2
20 mm²
2,2 mm² 3,14×10 mm²
Surface
Tableau 3–1 : Caractéristiques à 300 K des diodes bipolaires répertoriées dans la
littérature.
3.2. Les diodes Schottky.
Ce sont les premiers composants de puissance en SiC à être commercialisés. La
société américaine Microsemi associée à Sterling Semiconductor (un fournisseur de
substrats SiC), est la première en avril 2000 à annoncer la mise sur le marché des
Schottky en SiC (480 V – 1 A). C’est à partir du moi d’avril 2001, que des Schottky
(300 V – 10 à 20 A et 600 V 2 à 6 A) seront disponibles chez Infineon Technologies
(anciennement Siemens Semiconductors). Les caractéristiques de ces composants et
notamment en terme de tenue en tension sont supérieures à celles des Schottky Si
commercialisées (100 à 200 V – qq. 10 A).
35
CHAPITRE 1
Le Carbure de silicium : Généralités.
Des démonstrateurs haute tension (> 1 kV) se sont multipliés ces derniers
temps. Toutefois un grand nombre de ces composants sont réalisés avec des couches très
épaisses afin de tenir la tension, augmentant ainsi la résistance spécifique à l’état
passant (R on ) et limitant les performances sous polarisation directe. Ces études mettent
souvent en évidence la difficulté à réaliser des protections périphériques efficaces pour
les Schottky. Les caractéristiques de quelques composants les mieux optimisés sont
présentées dans le Tableau 3–2.
Référence
Caractéristiques de la couche active
Type de protection périphérique
Passivation
Jd (A/cm2 ) - Vd (V)
J r (A/cm2 ) - VBR (kV)
VBR calculé (kV)
Surface
[Alok’96]
10 µm
8×1015 cm -3
SiC-4H
Implantation
d’argon
100 .- 1,19
< 10 – 1,33
1,7
[Wahab’00]
27 µm
7×1014 cm -3
SiC-4H
Plaque de
champ
Oxyde
100 – 3,9
5×10-6 – 3,56
5,2
7,06 mm²
[Peters’01]
13 µm
5×1015 cm -3
SiC-4H
JTE
Photoimide
250 – 1,7
4×10-5 – 1,2
2,5
10 mm²
Tableau 3–2 : Caractéristiques à 300 K des meilleurs démonstrateurs.
3.3. Les JBS (Junction Barrier Schottky).
Depuis deux ans un grand nombre de prototypes de ce composant ont vu le jour.
Ce dispositif réalisé par un contact Schottky sur une grille de jonction P + N permet de
cumuler les avantages de la Schottky en direct (faible chute de tension à l’état passant)
et de la diode bipolaire sous polarisation inverse (faible courant de fuite, tenue en
tension élevée). Sous polarisation directe le courant passe par les multiples canaux sous
le contact Schottky. En inverse une ZCE se crée autour des jonctions P+ N et s’étale dans
le canal avant de le bloquer (Fig. 3–1), ce qui permet d’éviter la présence d’un fort
champ à la jonction métal/semi-conducteur. L’espacement des caissons P+ et le rapport
surface de contact Schottky sur la surface totale sont des paramètres à optimiser pour
obtenir les meilleures caractéristiques.
36
CHAPITRE 1
Le Carbure de silicium : Généralités.
Fig. 3–1 : Schéma d’une JBS en coupe avec le trajet du courant direct.
Les démonstrateurs les plus performants, répertoriés dans la littérature sont
présentés dans le tableau suivant (Tableau 3–3).
[Singh’00] [Dahlquist’00] [Sugawara’00a] [Tone’00] [Sheridan’01]
Référence
20 µm
27 µm
50 µm
13 µm
30 µm
Caractéristiques
15
-3
15
-3
15
-3
15
-3
de la couche 2×10 cm 3×10 cm
1,8×10 cm 7×10 cm 2,5×1015 cm -3
active
SiC-4H
SiC-4H
SiC-4H
SiC-4H
SiC-4H
JTE
JTE
JTE
JTE
Anneaux de
Type de
garde
protection
périphérique
Oxyde
Oxyde
Oxyde
Oxyde +
Passivation
PolySi
2
200
100
100
600
100
Jd (A/cm )
3,1
2
6
4
2,73
Vd (V)
2
-4
-3
-3
J r (A/cm )
> 50×10
3×10
3×10
2,8
2,5
VBR (kV)
1,5
3,6
1
3,5
3,8
6
2
4,4
VBR calculé (kV)
50 %
50 %
Rapport de
surface
3,13 mm²
Surface
9×10 -2 mm²
Tableau 3–3 : Caractéristiques à 300 K des JBS répertoriées dans la littérature.
3.4. Conclusion.
Compte tenu des résultats publiés et malgré les progrès effectués ces dernières
années (qualité du matériau, maîtrise des étapes de fabrication…), il semble difficile
d’obtenir des dispositifs de grande taille, performants en direct et en inverse avec un
rendement de fabrication élevé. Les résultats présentés dans les tableaux précédents
37
CHAPITRE 1
Le Carbure de silicium : Généralités.
témoignent d’un écart non négligeable entre la tenue en tension théorique et
expérimentale. Ces différences peuvent provenir d’une part, d’une estimation incorrecte
de la tension de claquage théorique, et d’autre part d’une mauvaise efficacité des
protections périphériques. Afin de mieux évaluer la tenue en tension des composants
SiC, il apparaît donc indispensable de connaître précisément les coefficients d’ionisation
du SiC et d’identifier les mécanismes responsables d’une dégradation des performances
des protections périphériques. Ces deux thèmes constituent l’essentiel des travaux
présentés dans ce mémoire.
38
Etude de la tenue en tension des dispositifs de puissance en carbure de silicium par
caractérisations OBIC et électriques.
CHAPITRE 2
Mesure des coefficients d’ionisation du SiC–6H
par la technique OBIC.
1.
QUELQUES RAPPELS SUR LES COEFFICIENTS D’IONISATION. ..................41
1.1. L E FACTEUR DE MULTIPLICATION M. ...........................................................................41
1.2. L ES DIFFÉRENTS MODÈLES DES COEFFICIENTS D ’ IONISATION . .......................................44
1.2.1. Modèle de WOLFF. ...................................................................................................44
1.2.2. Modèle de SHOCKLEY. .............................................................................................44
1.2.3. Modèle de BARAFF. ..................................................................................................45
1.3. DÉTERMINATION EXPÉRIMENTALE DE αN ET αP : ÉTAT DE L’ ART ....................................46
1.3.1. Les différentes méthodes et structures de tests. ...........................................................46
a) Les dispositifs à gain interne. ......................................................................................... 46
b) Création de porteurs en excès dans les diodes bipolaires ou Schottky................................ 46
⇒ Cas d’une injection pure d’électrons. ......................................................................... 47
⇒ Cas d’une injection pure de trous. .............................................................................. 48
⇒ Cas d’une génération dans la ZCE.............................................................................. 48
1.4. L ES COEFFICIENTS D’ IONISATION DANS LE S I C.............................................................49
1.4.1. Les valeurs de αn et α p de A. O. Konstantinov dans le SiC–4H.....................................50
1.4.2. Les valeurs de αn et α p de R. Raghunatan dans le SiC–6H et SiC–4H en fonction de la
température. ......................................................................................................................................50
2.
LE BANC EXPÉRIMENTAL D’OBIC....................................................................51
2.1. P RINCIPE DE FONCTIONNEMENT...................................................................................52
2.1.1. Principes physiques. ..................................................................................................52
2.1.2. Expression théorique du photocourant. ......................................................................55
a) Expression du photocourant dans la zone de charge d’espace............................................ 56
b) Expression du photocourant dans les zones neutres. ......................................................... 57
2.1.3. Spécificités liées au SiC. ............................................................................................58
2.2. L E BANC DE MESURES , FONCTIONNEMENT GÉNÉRAL ET UTILISATIONS . .........................58
2.2.1. Fonctionnement général. ...........................................................................................59
2.2.2. Caractéristiques du banc expérimental d’OBIC. .........................................................59
3.
CHOIX DE LA MÉTHODE ET VALIDATION. .....................................................61
3.1. CHOIX DU DISPOSITIF DE TEST. ....................................................................................61
3.2. DESCRIPTION DE LA MÉTHODE ET VALIDATION PAR SIMULATION. .................................62
3.2.1. Simulation d’une injection pure de trous ou d’électrons. .............................................62
3.2.2. Simulation d’une injection mixte de porteurs. .............................................................64
39
CHAPITRE 2
Mesure des coefficients d’ionisation du SiC-6H par la technique OBIC.
3.2.3. Détermination des coefficients d’ionisation à partir des mesures OBIC d’une Schottky de
type N. ..............................................................................................................................................67
4.
CONCEPTION ET RÉALISATION DU DISPOSITIF DE TEST. ..........................69
4.1. CONCEPTION DU VÉHICULE – TEST AVEC L’ OUTIL ISE ....................................................70
4.1.1. Rôle des paramètres des JTE sur la tenue en tension...................................................73
4.1.2. Rôle des caractéristiques de la couche épitaxiée sur la tenue en tension. .....................74
4.2. RÉALISATION DES DIODES S CHOTTKY . .........................................................................75
5.
MESURES................................................................................................................76
5.1. CARACTÉRISATION DES DIFFÉRENTS PARAMÈTRES TECHNOLOGIQUES . ..........................76
5.1.1. Caractéristiques de la couche épitaxiée......................................................................76
5.1.2. Paramètres des JTE...................................................................................................78
5.1.3. Caractéristiques électriques.......................................................................................80
6.
CONCLUSION. .......................................................................................................81
-
40
Etude de la tenue en tension des dispositifs de puissance en carbure de silicium par
caractérisations OBIC et électriques.
CHAPITRE 2
Mesure des coefficients d’ionisation du SiC–6H
par la technique OBIC.
Cette étude porte sur la détermination des coefficients d’ionisation des électrons
et des trous dans SiC-6H à l’aide de mesures OBIC. Ces coefficients sont des paramètres
importants pour évaluer la tenue en tension des dispositifs de puissance lors de leur
conception. Les écarts constatés entre les valeurs théoriques et pratiques des tensions de
claquages des différents composants sont en partie dus à l’incertitude sur les valeurs des
coefficients d’ionisation utilisées. Ceci est confirmé par la multitude de valeurs
présentées dans la littérature. Avant de rappeler les principes physiques régissant la
méthode OBIC, il est nécessaire d’aborder l’aspect théorique et pratique de la
détermination des coefficients d’ionisation.
1.
Quelques rappels sur les coefficients d’ionisation.
Les électrons et les trous, soumis à l’action d’un fort champ électrique (proche
du champ critique), sont accélérés et acquièrent une énergie cinétique suffisante (Ei )
pour créer des paires électron–trou lors de chocs avec les atomes du réseau : c’est
l’ionisation des atomes par impact avec un électron ou un trou. Les porteurs générés
peuvent à leur tour engendrer la création de nouvelles paires électron–trou sous l’effet
du champ électrique qui les accélèrent. Ce phénomène cumulatif est appelé
multiplication par avalanche. C’est en 1953 que ce mécanisme est mis en évidence par
K.G. Mc Kay et K.B. Mc Afee, [Mc Kay’53] en créant des porteurs en excès dans des
jonctions PN à l’aide de faisceaux lumineux et de particules alpha. Il est caractérisé par
le facteur de multiplication M et les coefficients d’ionisation αn (pour les électrons) et
αp (pour les trous).
1.1. Le facteur de multiplication M.
M est défini comme le rapport du nombre de porteurs recueillis sur le nombre de
porteurs injectés dans la ZCE. Supposons une jonction plane infinie sous forte
polarisation inverse, la multiplication des porteurs a lieu dans la ZCE, là où le champ est
41
CHAPITRE 2
Mesure des coefficients d’ionisation du SiC-6H par la technique OBIC.
le plus important. Le courant d’électrons injecté dans la ZCE est J n (0). Le nombre
d’électrons participant au courant augmente donc avec la distance à travers la ZCE et le
courant recueilli est Mn J n (0). A partir de la figure présentée ci–dessous (Fig. 1–1) et en
supposant que la vitesse des porteurs est constante dans la structure on peut donc écrire :
Mn =
Mp =
et
J n (W )
Jn( 0 )
(4)
J p( 0 )
(5)
J p (W )
ZCE
Electrons
Trous
E
Jn(0)
Jp(W)
P+
N
0
x
W
Xj
Fig. 1–1 : Jonction P+N soumise à une forte polarisation inverse.
Sachant que αn et αp sont les coefficients d’ionisation des électrons et des trous,
on peut donc décrire les variations des courants comme suit :
∂J n = −α n J n ∂x − α p J p ∂x
(6)
dans le cas d’une injection d’électrons
et
∂J p = α p J p ∂x + α n J n ∂x
(7)
dans le cas d’une injection de trous
avec :
J( x ) = J n ( x ) + J p ( x ) = Cste
( A / cm )
2
(8)
42
CHAPITRE 2
Mesure des coefficients d’ionisation du SiC-6H par la technique OBIC.
J n ( 0 ) = J n0 =
J n (W ) J(W )
=
Mn
Mn
J p (W ) = J p0 =
et
J p( 0 )
Mp
J( 0 )
Mp
=
( A / cm )
(9)
( A / cm )
(10)
2
2
En remplaçant J p dans l’équation (6) par son expression en fonction de Jn et de J
et en résolvant cette équation on obtient :
x
x

x

[ α n ( x )-α p ( x )] ∂x'
∫ [ α p ( x )-αn ( x )] ∂x' 
∫

0
0
J n ( x ) = exp
∂x  
 J n 0 + J  ∫ α p ( x ).exp


 0
 

(11)
On calcule alors J n(W) et on divise cette valeur par Jn0 on obtient ainsi Mn en
fonction de αn et αp :
W
Mn =
∫ [ α n ( x )−α p ( x )] ∂x
exp 0
(12)
W
∫
1 − ∫ α p ( x ).exp x
W
[ α n ( x )−α p ( x )] ∂x'
∂x
0
Après simplification de cette équation on obtient :
1
Mn =
(13)
x
W
1 − ∫ α n ( x ).exp
∫
− [ α n ( x )−α p ( x )] ∂x'
∂x
0
0
De la même manière en résolvant l’équation (7) on obtient :
1
Mp =
(14)
W
∫ [ αn ( x )−α p ( x )] ∂x'
W
1 − ∫ α p ( x ).exp x
∂x
0
Lorsque Mn ou Mp tendent vers l’infini, alors la tension de claquage du
dispositif
est
atteinte.
Cela
revient
à
dire
que
l’intégrale
W
W
∫ [ α n ( x )−α p ( x )] ∂x'
I p = ∫ α p ( x ).exp x
0
d’ionisation
x
W
∂x , pour les trous ou I n = ∫ α n ( x ).exp
∫
− [ α n ( x )−α p ( x )] ∂x'
0
∂x ,
0
43
CHAPITRE 2
Mesure des coefficients d’ionisation du SiC-6H par la technique OBIC.
pour les électrons est égale à 1. C’est généralement le critère utilisé dans les simulateurs
pour déterminer la tension de claquage d’un composant.
1.2. Les différents modèles des coefficients d’ionisation.
αn et αp sont déterminés comme le nombre de collisions ionisantes que
provoque chaque porteur par unité de longueur parcourue parallèlement au champ
électrique.
La plupart des modèles décrivant le phénomène d’ionisation par impact se
basent sur un modèle local en supposant que l’ionisation dépend uniquement du champ
électrique local, on a donc :
α ( xi ) = f [ E( xi )]
(15)
1.2.1. Modèle de WOLFF.
Dans ce modèle il est considéré que les porteurs atteignent l’énergie
d’ionisation Ei malgré les chocs avec les phonons. L’auteur [Wollf’54], fait donc
l’hypothèse que l’énergie perdue lors d’une collision avec un phonon est très inférieure
à celle acquise entre deux chocs. Dans ces conditions, en résolvant l’équation de
transport de Boltzmann on a :
α = a.exp
 −b 
 2
E 
(16)
E : champ électrique.
Or l’hypothèse effectuée n’est valable que pour les forts champs électriques.
1.2.2. Modèle de SHOCKLEY.
Shockley [Shockley’61] fait ici l’hypothèse que les porteurs qui participent à
l’ionisation par impact ne subissent pas de chocs avec les phonons, ce sont des électrons
ou des trous “chanceux”.
α = b.exp
 − Ei 


 qLR E 
(17)
q : charge élémentaire
44
CHAPITRE 2
Mesure des coefficients d’ionisation du SiC-6H par la technique OBIC.
LR : libre parcours moyen.
Ei : énergie d’ionisation.
Cette théorie a l’avantage de prendre uniquement en compte des porteurs
ionisants ayant une vitesse parallèle à la direction du champ électrique mais elle n’est
valable que dans une gamme de faibles valeurs de E. Cette définition des coefficients
d’ionisation est en accord avec la formule empirique donnée par Chynoweth
[Chynoweth’58] :
α = a.exp
−b
E
(18)
1.2.3. Modèle de BARAFF.
La spécificité de cette théorie est de prendre en compte certaines
caractéristiques du matériau comme le libre parcours moyen LR , l’énergie perdue lors
d’une collision avec un phonon ER et l’énergie d’ionisation Ei . De plus Baraff
[Baraff’62] a démontré que son modèle était valable pour toutes les valeurs de champ
électrique, il retrouve d’ailleurs les expressions de Wolff et de Shockley comme cas
limites. Son modèle a été revu par Crowell et Sze [Crowell’66] et prend en compte
l’énergie moyenne perdue lors d’une collision ⟨ E R ⟩ et non ER .
α=
1
(ax2 +bx +c )
.exp
LR
a = 11,5r 2 − 1, 7r + 3,9 × 10−4
b = 46r 2 − 11,9r + 1, 75 × 10−4
c = −757 r 2 + 75,5r − 1,92
Ei
⟨E ⟩
r= R , x=
Ei
qLR E
(19)
⟨ ER ⟩ LR
E
=
= tanh R
ER
L0
kT
Un autre avantage de cette approche est la prise en compte de la température,
car ⟨ E R ⟩ , LR sont des valeurs qui dépendent de la température.
45
CHAPITRE 2
Mesure des coefficients d’ionisation du SiC-6H par la technique OBIC.
1.3. Détermination expérimentale de αn et αp : état de l’art
La méthode utilisée pour obtenir les valeurs des coefficients d’ionisation est
basée sur la mesure du facteur de multiplication. A partir des résultats de M obtenus et
de différentes hypothèses on extrait les valeurs de αn et αp en fonction des variations du
champ électrique. Ceci nécessite une connaissance très précise de la répartition et des
variations de E dans la structure de test.
1.3.1. Les différentes méthodes et structures de tests.
De nombreuses structures ont été utilisées pour extraire les coefficients
d’ionisation, on peut toutefois distinguer deux catégories de composants, ce qui suppose
des techniques de mesure différentes.
a) Les dispositifs à gain interne.
Le transistor bipolaire dont la jonction base–collecteur est le siège de la
multiplication comporte deux avantages [Maes’90]. Le premier est la possibilité de
contrôler très précisément le courant d’émetteur et le second est de multiplier par β
(gain du transistor) le courant de multiplication. Les trous générés par l’ionisation des
atomes par les électrons injectés dans le collecteur vont créer un courant qui se
superpose au courant de base. On obtient ainsi une décroissance du courant de base
proportionnelle au facteur de multiplication et au courant d’émetteur. Ce qui permet
d’extraire les coefficients d’ionisation pour des faibles valeurs de M.
∆I B (VBC ) = I E ( M (VBC )- 1 )
(20)
Pour le JFET [Sayle’71] malgré son gain interne qui permet de mesurer M pour
des valeurs de champ faibles, il est difficile de connaître avec exactitude le profil du
champ dans la région d’avalanche (canal).
b) Création de porteurs en excès dans les diodes bipolaires ou
Schottky
De nombreuses mesures ont été effectuées sur des diodes bipolaires ou Schottky
avec différentes protections périphériques. Dans ce type de structures le profil du champ
46
CHAPITRE 2
Mesure des coefficients d’ionisation du SiC-6H par la technique OBIC.
électrique est plus facile à déterminer que dans le cas du JFET. Pour le déterminer avec
exactitude il est nécessaire de connaître le profil de dopage de la jonction. Plusieurs
méthodes comme les mesures C(V) ou les analyses SIMS sont souvent employées et
permettent d’obtenir des résultats relativement précis.
Pour mesurer plus précisément M, ces composants nécessitent une création de
porteurs en excès par un faisceau lumineux ou électronique. Nous nous intéresserons ici
uniquement aux porteurs générés optiquement. Les paires électron–trou résultant de
l’absorption des photons sont soumises au champ électrique présent dans le composant.
Si E est suffisamment grand apparaît alors l’ionisation par impact. Les variations du
facteur de multiplication se traduisent alors par l’accroissement du photocourant :
M (V ) =
J ph (V )
J ph (V0 )
(21)
J ph(V) est la densité de courant photogénéré à une tension V donnée.
J ph(V0) est la densité de courant photogénéré à la tension V0 donnée, pour
laquelle il n’y a pas de multiplication des porteurs.
Cette technique de mesure présente plusieurs avantages. Elle permet d’une part
l’étude d’une zone bien précise (éclairement local) et d’autre part de favoriser en
adaptant la longueur d’onde du faisceau incident la multiplication de l’un des types de
porteurs.
⇒ Cas d’une injection p u re d’électrons.
Lorsqu’on éclaire une jonction P+ N avec un faisceau de longueur d’onde (λ) très
courte, donc lorsque la photogénération a lieu à proximité de la surface (voir Fig. 2–2),
alors on considère que seuls les électrons participent à la multiplication et donc M = Mn .
Cette approximation peut entraîner des erreurs assez importantes et notamment pour les
matériaux pour lesquels αn << αp . Pour les diodes Schottky de type N on obtient une
injection d’électrons quand φb < hc/λ < Eg, (φb est la hauteur de barrière de la diode
Schottky) ceci reste très difficile à réaliser. Pour obtenir une injection de ce type dans
une Schottky P il faudrait éclairer le dispositif en face arrière par une longueur d’onde
suffisamment longue pour créer des porteurs proches de la ZCE.
47
CHAPITRE 2
Mesure des coefficients d’ionisation du SiC-6H par la technique OBIC.
⇒ Cas d’une injection p u re de trous.
L’obtention de ce type d’injection dans une jonction P+ N nécessite soit un
éclairement latéral directement dans la région N ou en face arrière de manière à générer
des porteurs proches de la ZCE. Si on éclaire la région P+ , deux conditions sont
nécessaires pour considérer que l’ionisation est dominée par les trous (M = Mp ). La
longueur d’onde doit être relativement longue (proche de λ c définie comme la longueur
d’onde pour laquelle les photons ont une énergie égale à la largeur de la bande interdite
du semi–conducteur photoexcité). Les couches de la structure utilisée doivent être
dimensionnées pour que la multiplication des porteurs générés dans la ZCE soit
inférieure à celle engendrée par les trous créés optiquement dans la zone N. Il en est de
même pour les Schottky de type N. Pour la Schottky de type P on a une injection de
trous si φb < hc/λ < Eg.
⇒ Cas d’une génératio n dans la ZCE
Considérons une jonction quelconque (P+ N) soumise à un éclairement de
longueur d’onde λ. Si la longueur de pénétration Lp est supérieure à la profondeur de
jonction Xj alors on a génération de porteurs dans la ZCE et dans les zones neutres (P+ et
N). La jonction est donc soumise à une injection simultanée des trous et des électrons de
part et d’autre de la ZCE siège d’une génération de porteurs g(x). On a donc
∂J p
∂J n
=−
= −α n J n − α p J p + qg( x )
∂x
∂x
(22)
avec J ph ( x ) = J n ( x ) + J p ( x ) = Cste
En résolvant l’équation différentielle avec les conditions aux limites suivantes
J n(0) = J P,n et Jn(W) = J ph–J N,p, on obtient :
W
J N ,p + J P,n exp
J ph =
∫ [ α n ( x )−α p ( x )] ∂x
0
W
W
∫ [ α n ( x )−α p ( x )] ∂x'
+ ∫ qg( x )exp x
W
∫
1 − ∫ α p ( x ).exp x
W
[ α n ( x )−α p ( x )] ∂x'
∂x
( A / cm )
2
0
(23)
∂x
0
où l’on reconnaît Mn et M p et on identifie MZCE .
48
CHAPITRE 2
Mesure des coefficients d’ionisation du SiC-6H par la technique OBIC.
W
∫ [ α n ( x )−α p ( x )] ∂x'
x
∂x
qg(
x
)exp
∫
W
W
M ZCE .q ∫ g( x )∂x =
0
W
0
W
∫ [ α n ( x )−α p ( x )] ∂x'
1 − ∫ α p ( x ).exp x
(24)
∂x
0
le coefficient global M(V) s’écrivant :
M (V ) =
J ph (V )
J ph (V0 )
=
M n J P ,n + M p J N ,p + M ZCE J ZCE
J ph (V0 )
(25)
où J P,n est la densité de courant photogénéré d’électrons en zP (Voir CHAPITRE 2 §
2.1.2)
J N,p est la densité de courant photogénéré de trous en zN (Voir CHAPITRE 2 § 2.1.2)
J ZCE est la densité de courant photogénéré dans la ZCE (Voir CHAPITRE 2 § 2.1.2).
Malgré une meilleure approximation de E la résolution des intégrales
d’ionisation (Voir CHAPITRE 2 § 1.1) reste complexe, il est donc difficile d’en extraire
αn et αp . Pour simplifier les équations, Van Overstraeten [Van Overstraeten’70] suppose
que le rapport k = αn /αp est constant et que la variation de αn et αp en fonction du champ
est du type a.exp–b/E. Ceci lui permet d’avoir Mn (V) et Mp (V) mesurés pour une injection
pure d’électrons ou de trous, en fonction d’un seul coefficient d’ionisation. Ces
hypothèses lui permettent d’obtenir de bons résultats, mais ne peuvent être appliquées à
tous les matériaux car le rapport k peut varier dans certains matériaux suivant la gamme
de champ électrique présent dans la structure. D’autres résultats ont été obtenus en
utilisant des méthodes plus rigoureuses et notamment en prenant en compte la variation
de la ZCE en fonction de la tension pour le calcul de M [Woods’73]. A noter que le
dispositif utilisé est une diode Schottky.
1.4. Les coefficients d’ionisation dans le SiC.
Les valeurs de αn et αp présentées dans la littérature ont la particularité d’être
assez inhomogènes. Toutefois tous les auteurs s’accordent à dire que l’ionisation par
impact dans SiC–6H ou SiC–4H est dominée par les trous (αp > αn ). Dans ce paragraphe,
seuls les résultats obtenus par A. O. Konstantinov pour SiC–4H et ceux de R.
Raghunathan pour SiC–6H et 4H seront présentés. Ces jeux de paramètres sont
couramment employés dans les simulateurs comme Medici ou ISE.
49
CHAPITRE 2
Mesure des coefficients d’ionisation du SiC-6H par la technique OBIC.
1.4.1. Les valeurs de αn et αp de A. O. Konstantinov dans le
SiC–4H.
Le dispositif choisi par l’auteur pour extraire αn et αp est une diode bipolaire
+
P N Mésa à pentes négatives [Konstantinov’98]. La technique utilisée pour la protection
périphérique de la jonction émettrice permet d’obtenir un claquage en volume du
dispositif et non en périphérie comme c’est souvent le cas. Le courant d’avalanche
mesuré est initié par le champ électrique en volume et non par le champ électrique en
périphérie. Les couches N et N+ ont été réalisées par VPE (Vapour Phase Epitaxy) sur
un substrat de type P+. La diode est éclairée à λ = 325 nm (longueur de pénétration
Lp = 7,4 µm) par la face N+ . On peut donc supposer que l’on se trouve dans le cas d’une
injection pure de trous (les épaisseurs des couches N et N+ ne sont pas connues) et donc
M = Mp. Les expressions de αn et αp sont obtenues en faisant coïncider la courbe
expérimentale de M et les résultats de simulation de la structure de test. Dans le calcul
de M l’auteur ne tient pas compte de l’effet de l’étalement de la ZCE sur le courant
photogénéré ce qui peut induire une erreur non négligeable surtout pour les faibles
valeurs de E.
7
α p = 1,63×10 exp
5
α n = 4×10 exp
-
-
1,67×107
E
1,67×107
E
(26)
(27)
1.4.2. Les valeurs de αn et αp de R. Raghunatan dans le SiC–6H
et SiC–4H en fonction de la température.
La structure de test est une diode Schottky de type P en SiC–6H et SiC–4H dont
la protection périphérique est réalisée par implantation ionique d’argon pour amorphiser
le semi–conducteur en surface, [Raghunatan’97]. Le dispositif est bombardé par un
faisceau d’électrons dont on ne connaît pas l’énergie qui génère des porteurs induisant
un courant. L‘épaisseur de la couche épitaxiée est environ de 2 µm et le dopage varie de
6×1015 cm -3 à 1×1016 cm -3 selon le cas. Les auteurs émettent trois hypothèses pour
simplifier l’expression du facteur de multiplication :
•
E constant dans la couche épitaxiée
•
M = MP
50
CHAPITRE 2
Mesure des coefficients d’ionisation du SiC-6H par la technique OBIC.
•
αp >> αn
Alors M peut s’écrire : M = exp
(α pW )
Des mesures à température ambiante il est déduit :
α p = 2,5 × 10 exp
6
−1,48×107
E
α p = 3,5 ×10 exp
6
−1,7×107
E
pour SiC–6H
(28)
pour SiC–4H
(29)
En considérant M = Mp , les auteurs négligent la multiplication dans la ZCE, ce
qui induit une erreur non négligeable sur les valeurs de αp dans la gamme de champ
étudiée.
La même procédure est exploitée pour connaître la dépendance en température,
dans la gamme [300, 500] K, [Raghunatan’99].
6
3
−1,48×107
E
4
−1,79×107
E
α p (T , E ) = (4, 6 × 10 − 7, 4 × 10 T ) exp
6
α p (T , E ) = (6,3 × 10 − 1, 07 × 10 T ) exp
2.
pour SiC–6H
(30)
pour SiC–4H (31)
Le banc expérimental d’OBIC.
Les méthodes faisant intervenir des faisceaux lumineux, sont couramment
employées pour la caractérisation des matériaux et des dispositifs ( Photoluminescence,
DLOS, OBIC….). C. G. B. Garrett et W. H. Brattain en 1956 [Garrett’56] sont les
premiers à utiliser les mesures optiques pour caractériser le claquage de dispositifs.
Depuis, la méthode OBIC (Optical Beam Induced Current) ou LBIC (Light Beam
Induced Current) est fréquemment employée pour étudier le comportement électrique
des composants dans des domaines comme l’optoélectronique ou l’électronique de
puissance.
51
CHAPITRE 2
Mesure des coefficients d’ionisation du SiC-6H par la technique OBIC.
2.1. Principe de fonctionnement.
Les principaux mécanismes physiques mis en jeu sont ici décrits en tenant
compte des spécificités et des incertitudes sur les grandeurs physiques des différents
polytypes du SiC.
2.1.1. Principes physiques.
Plaçons–nous dans le cas théorique où une jonction pn faiblement polarisée en
inverse est éclairée latéralement par un faisceau laser de longueur d'onde λ focalisé à la
surface du semi–conducteur. La photoexcitation du matériau par un faisceau
suffisamment énergétique (hc/λ ≥ Eg) donne lieu à des transitions bande à bande qui
génèrent des paires électron–trou : c’est le phénomène d’absorption optique intrinsèque.
Dans le cas où le faisceau optique ne serait pas assez énergétique les porteurs peuvent
être créés par des transitions indirectes assistées par des niveaux profonds de la bande
d’énergie interdite : c’est l’absorption optique extrinsèque.
Plaçons–nous dans le cas d’une absorption optique intrinsèque. Les porteurs
photogénérés dans la zone de charge d’espace vont être séparés, accélérés par le champ
électrique qui règne dans la zone de charge d’espace (ZCE) puis collectés aux bornes du
dispositif où l’on mesure le courant photogénéré. Dans le cas où les porteurs sont
générés dans une zone où le champ électrique est négligeable aucun signal n’est détecté
(Fig. 2–1). L’amplitude du signal mesuré varie ainsi suivant le point d’injection des
porteurs. Ce schéma montre que le signal OBIC est maximal lorsque les porteurs sont
générés dans la zone de charge d’espace et qu’il varie de façon exponentielle lorsqu’on
s’en éloigne, jusqu'à devenir nul. Si les porteurs ne sont pas injectés dans la ZCE ils
vont diffuser avant de se recombiner (si d, définie comme la distance entre le point
d’injection et le bord de la ZCE, est supérieure à la longueur de diffusion des porteurs
minoritaires Ld ) ou diffuser et atteindre la ZCE (si d ≤ Ld ).
52
Signal OBIC
CHAPITRE 2
Mesure des coefficients d’ionisation du SiC-6H par la technique OBIC.
X
Flux de photons
X
génération optique
N
P+
ZCE
Z
Fig. 2–1: Signal OBIC d’une jonction polarisée sous faible tension inverse en
fonction du point d’injection des porteurs.
Supposons maintenant une jonction plane infinie polarisée en inverse à une
tension donnée V, ce qui implique une profondeur de zone de charge d’espace constante
W. Si on éclaire le dispositif perpendiculairement à la jonction en faisant varier la
longueur d’onde à puissance optique transmise constante P, alors on remarque une
variation du courant collecté (Fig. 2–2). L’absorption optique intrinsèque est
caractérisée par le coefficient d’absorption α qui est lié à l’indice complexe de
réfraction du semi–conducteur (N = n + ik) et à la longueur d’onde d’éclairement par la
relation α =
4πk
. Donc lorsque λ diminue α augmente et les porteurs photogénérés sont
λ
créés à proximité de la surface du semi–conducteur. Plus la longueur d’onde est courte
moins il y a de porteurs photogénérés dans la zone désertée et donc plus le courant
collecté sera faible si l’on néglige la participation des porteurs générés hors ZCE :
SOBIC = f (λ ) A exp
b
− 
λ
. Cette loi n’est valable que si les longueurs d’onde d’éclairement
utilisées sont inférieures à la longueur d’onde critique (λ c définie comme la longueur
d’onde pour laquelle les photons ont une énergie égale à la largeur de la bande interdite
du semi–conducteur photoexcité).
53
Signal OBIC (A)
CHAPITRE 2
Mesure des coefficients d’ionisation du SiC-6H par la technique OBIC.
Position du spot (µm)
Flux de photons
Anode
x
P+
Génération optique
suivant la longueur d'onde
d'éclairement
l3 < l2 < l1
Wzce
ZCE
λ1
λ2
N
Cathode
λ3
N+
Z
Fig. 2–2 : Variation du Signal OBIC en fonction de la longueur d’onde d’éclairement
pour une tension V donnée à puissance optique transmise P constante.
Le second paramètre influant sur les variations du signal OBIC est la tension de
polarisation. Si la diode est éclairée à une longueur d’onde λ < λ c donnée et à puissance
optique transmise P constante et que l’on polarise le dispositif sous différentes tensions
suffisamment faibles pour négliger la multiplication des porteurs par avalanche (Fig. 2–
3), alors le niveau du signal augmente. En effet lorsque la tension de polarisation
augmente la ZCE s’étale de part et d’autre de la jonction et donc le nombre de porteurs
photogénérés dans la ZCE et participant au photocourant croît. En négligeant le courant
dû aux porteurs générés hors de la ZCE on peut écrire : SOBIC = f (V) = A exp b
V
. Le
54
CHAPITRE 2
Mesure des coefficients d’ionisation du SiC-6H par la technique OBIC.
niveau du signal OBIC mesuré tend vers une valeur limite quand la profondeur de la
ZCE est supérieure ou égale à la longueur de pénétration des porteurs ( L P =
1
, définie
α
comme la longueur à laquelle 63 % du flux lumineux est absorbé par le semi–
conducteur).
Signal OBIC (A)
V4
V3
V2
V1
V1 < V2 < V3 < V4
Position du spot (µm)
Flux de photons
Anode
x
P+
W1
W2
N
Génération optique
pour une longueur
d'onde donnée
W3
W4
Cathode
N+
z
Fig. 2–3 : Variation du signal OBIC en fonction de la tension de polarisation pour
une longueur d’onde λ donnée à puissance optique constante P.
2.1.2. Expression théorique du photocourant.
Pour modéliser les courants on considère une jonction P + N faiblement polarisée
en
inverse
et
soumise
à
un
éclairement
permanent
monochromatique
perpendiculairement à la surface, de longueur d’onde λ ≤ λ c , que l’on sépare en trois
parties (Fig. 2–4), les zones neutres P+ et N où s’établissent des courants de diffusion et
55
CHAPITRE 2
Mesure des coefficients d’ionisation du SiC-6H par la technique OBIC.
la ZCE où règne un champ électrique E. Dans cette zone le courant sera essentiellement
dû à la génération optique, le courant généré thermiquement est négligeable. Si l’on
considère que l’on se trouve en faisceaux parallèles, alors la densité de courant est
[Gärtner’59]:
Jph = JZCE + J P ,n + J N , p
( A / cm²)
(32)
Flux de photons
Electron
Trou
0
zP
zj
P+
E
x
JP,n
wp
zce
JZCE
zN
N
wn
JN,p
z
Fig. 2–4 : Les différents courants dans une jonction P+N polarisée en inverse.
a) Expression du photocourant dans la zone de charge
d’espace.
Le courant généré dans la zone désertée est lié à l’éclairement de celle–ci, donc
au nombre de paires électron–trou créées par absorption de photons dans le SiC.
z
JZCE = − q ∫zPN g ( z )dz
( A / cm²)
(33)
z N et zP : Limites de la ZCE respectivement dans les zones N et P+
g(z) : Génération optique par unité de temps et de volume
(34)
g( z ) = φα exp −α z
φ : Flux absorbé par le matériau et donnant lieu à des générations (nombre de
photons absorbés par unité de temps et de surface)
⇒
φ = η( 1 − R )φ 0
(35)
⇒
56
CHAPITRE 2
Mesure des coefficients d’ionisation du SiC-6H par la technique OBIC.
η : Rendement quantique du dispositif (Nombre de photons absorbés sur le
nombre de paires électron-trou créées).
R : Coefficient de réflexion du matériau.
φ0 : Flux incident (nombre de photons incidents par unité de temps et par unité
de surface)
Alors, on peut écrire :
JZCE = qφ (exp −α zN − exp −α zP )
( A / cm2 )
(36)
b) Expression du photocourant dans les zones neutres.
Le courant photogénéré dans les zones neutres est un courant de diffusion. Il
faut donc résoudre les équations de continuité dans chaque zone où n et p sont les
porteurs générés optiquement.
Dp
∂2 p p
− + g( z ) = 0
∂z 2 τ p
Dn
∂2n n
− + g( z ) = 0
∂z 2 τ n
dans la zone N
dans la zone P
(37)
(38)
Avec les conditions aux limites suivantes :
⇒
p=0
z = zN ⇒
p=0
z= ∞
z = zP ⇒ n = 0
 ∂n 
z = 0 ⇒ Sn n = D n  
 ∂z z =0
Avec : Sn vitesse de recombinaison en surface, τn et τp durées de vie des
électrons et des trous, Dn et Dp coefficients de diffusion des électrons et des trous.
La densité de courant de trous en z N est :
 ∂p 
J N , p = − qDp  
 ∂z  z = zN
( A / cm 2 )
(39)
On a :
J N ,p = − qφ
α Ldp
exp −α ( zN ) ( A / cm 2 )
1 + α Ldp
(40)
De même la densité de courant d’électrons en zP est :
57
CHAPITRE 2
Mesure des coefficients d’ionisation du SiC-6H par la technique OBIC.
 ∂n 
J P ,n = qDn  
 ∂z  z = z p
( A / cm 2 )
(41)
Ce qui donne :
J P ,n
 1

− zP 


+α 
zP 
L
L
dn


 exp dn  Ldn (Sn +α Dn ) exp
+ ( Dn − Ldn S n )  



α Ldn

  ( A / cm2 ) (42)
= qφ
exp −α ( zP )  1 −
α Ldn − 1




z 
z 
(1 + α Ldn )  DnCh  P  + S n Ln Sh  P   

 Ldn 
 Ldn  





2.1.3. Spécificités liées au SiC.
Dans SiC il n’est pas fréquent de pouvoir réaliser des jonctions profondes car
elles nécessitent soit des implantations ioniques canalisées difficiles à mettre en œuvre
soit des implantations fortes énergies (quelques MeV). Les jonctions P + N sont donc
souvent réalisées par une série d’implantation dont l’énergie maximale n’excède pas 300
keV ce qui correspond à une profondeur de jonction de 0,8 µm à 1 µm. On peut penser
que la longueur de diffusion des porteurs est supérieure à la profondeur de la jonction,
donc tous les porteurs générés dans la zone P+ et qui ne se recombinent pas à la surface,
participent au courant induit. Il est donc possible de considérer zP=0, alors le
photocourant ne dépend plus que de l’étalement de la ZCE dans la couche épitaxiée (zN).
Le photocourant total s’écrit donc :

exp −α zn
Jph = − qφ 1 −
 1+α L
dp




( A / cm )
2
(43)
α dépendant de la longueur d’onde d’éclairement λ et zN variant en racine
carrée de la tension appliquée V, on retrouve bien ici l’expression des variations du
photocourant en fonction de λ et de V (§ 2.1.1) si l’on néglige la participation des trous
générés dans la zone N.
2.2. Le banc de mesures, fonctionnement général et utilisations.
Après l’aspect théorique de la méthode OBIC voici l’aspect pratique. Dans cette
partie, un bref rappel du fonctionnement est présenté ainsi que les principaux avantages
58
CHAPITRE 2
Mesure des coefficients d’ionisation du SiC-6H par la technique OBIC.
et inconvénients du banc expérimental (Fig. 2–5). Les différents blocs qui composent le
banc de mesures OBIC et leurs fonctionnements sont décrits en détail dans l’annexe A.
Fig. 2–5 : Banc expérimental d’OBIC.
2.2.1. Fonctionnement général.
Le dispositif polarisé en inverse est éclairé en surface par un faisceau optique
échantillonné par un disque perforé et focalisé par une série de composants optiques
(polariseur, lentilles, trou source ) pour obtenir un spot de plus ou moins grande taille.
Le courant photogénéré est mesuré aux bornes d’une résistance placée en série avec le
composant par une détection synchrone. Des platines motorisées permettent de déplacer
le composant sous le spot lumineux afin de parcourir un diamètre ou d’effectuer une
cartographie du dispositif.
2.2.2. Caractéristiques du banc expérimental d’OBIC.
Le laser argon doublement ionisé utilisé dans le banc de mesures permet
d’obtenir des longueurs d’onde dans l’U.V. et l’U.V. profond, nécessaires pour avoir
une absorption optique intrinsèque (λ ≤ λ c = 1240/Eg) dans SiC.
La littérature fait état d’une multitude de valeurs pour le coefficient
d’absorption α pour les polytypes du SiC, les valeurs que nous avons choisies d’utiliser
59
CHAPITRE 2
Mesure des coefficients d’ionisation du SiC-6H par la technique OBIC.
et qui correspondent aux longueurs d’onde que nous utilisons sont reportées dans le
tableau suivant [Sridhara’99], [Choyke’68].
SiC–6H
Longueur
Coefficient
d’onde fournies d’absorption α
par le LASER
(cm–1 )
λ (nm)
4942
300
[Choyke’68]
1760
333,6
[Sridhara’99]
1723
334,5
[Sridhara’99]
1657
335,8
[Sridhara’99]
1060
351,1
[Sridhara’99]
725
363,8
[Choyke’68]
SiC–4H
Coefficient
d’absorption α
(cm–1 )
Longueur de
pénétration
L p(µm)
5,7
900
11
5,8
845
11,7
6
790
12,7
9,4
290
35
Longueur de
pénétration
L p(µm)
2
13,8
Tableau 2–1 : Coefficient d’absorption et longueur de pénétration pour le SiC–6H et
le SiC–4H à 300 K.
On constate que les longueurs d’onde employées permettent de générer des
porteurs à proximité d’une jonction pour SiC–6H, ce qui n’est pas le cas pour SiC-4H.
En revanche l’utilisation de ces raies U.V. permet de sonder les couches épitaxiées
épaisses ( > 10 µm) en SiC–4H nécessaires à la réalisation de diodes hautes tensions
(> 2 kV).
Un des avantages de ce banc de mesures est de pouvoir mesurer de faibles
signaux (30 à 40 pA) grâce à l’utilisation de la détection synchrone. De plus le banc
optique a été conçu de manière à obtenir différents diamètres de spot (3,3 µm ; 13 µm ;
36 µm). Cette résolution du banc de mesures nous permet ainsi de mettre en évidence
des défauts tels que les micropores ou d’étudier précisément l’évolution du champ
électrique en périphérie de jonction.
Ce dispositif est renforcé par un système de visualisation composé d’une caméra
mono CCD et un moniteur vidéo, ce qui permet le positionnement et le contrôle du
diamètre du faisceau U.V. focalisé à la surface du dispositif. Ce système nous permet
d’effectuer les réglages dans l’U.V. et non dans le visible. Ainsi on contrôle mieux la
60
CHAPITRE 2
Mesure des coefficients d’ionisation du SiC-6H par la technique OBIC.
puissance optique incidente et l’on peut calculer le flux de photons absorbé par SiC
(φ=
ηλPinc
voir CHAPITRE 2 § 2.1.2)
hc
En pratique les valeurs des puissances transmises pour les différentes longueurs
d’onde, mesurées à l’aide d’une photodiode silicium pour une puissance du faisceau
U.V. de 10 mW en sortie du Laser sont les suivantes :
¾ Pour un spot de 3,3 µm, P Transmise = 65×10–9 W.
¾ Pour un spot de 13 µm, P Transmise = 0,92×10 –9 W.
¾ Pour un spot de 36 µm, P Transmise = 8,2×10–9 W.
Pour obtenir les spots de diamètre 13 et 36 µm les trous source ne sont pas positionnés
au point de focalisation des lentilles. Dans ces conditions on perd une partie de la
puissance du faisceau optique, ce qui explique les faibles valeurs de puissances
mesurées pour les spots de tailles supérieures à 3 µm.
Le positionnement du trou source permettant d’obtenir les différentes tailles de
spot et surtout l’état de surface du dispositif peuvent entraîner des variations de la
puissance transmise qui sont difficiles à quantifier.
3.
Choix de la méthode et validation.
3.1. Choix du dispositif de test.
Les dispositifs de type JFET ou transistor bipolaire restent difficiles à réaliser
en SiC. Nous avons donc opté pour une structure plus simple à mettre en œuvre (diode
bipolaire ou diode Schottky) et compatible avec les savoir–faire de l’équipe et de nos
collaborateurs. Cependant une métallisation semi–transparente est indispensable pour
pouvoir éclairer la jonction principale afin de déterminer M. Les épaisseurs de métaux
(aluminium et titane) nécessaires à la réalisation d’un contact ohmique sur une diode
P+ N sont préjudiciables à l’efficacité d’une métallisation semi–transparente aux U.V.
D’autre part le profil de dopage de l’émetteur d’une diode bipolaire reste difficile à
connaître avec précision. Ceci entraîne des erreurs plus ou moins importantes sur
l’évaluation de la répartition du champ E dans le dispositif. En conséquence, le
61
CHAPITRE 2
Mesure des coefficients d’ionisation du SiC-6H par la technique OBIC.
véhicule–test choisi est une diode Schottky à contact semi–transparent. La couche
épitaxiée est de faible épaisseur (2,5 µm) et le dopage de l’ordre de 5×10 15 cm -3 . Ces
caractéristiques ont été choisies pour obtenir une répartition quasi rectangulaire de E en
volume afin d’avoir une multiplication par avalanche homogène dans la structure.
3.2. Description de la méthode et validation par simulation.
On se propose de décrire et valider ici la méthode employée pour extraire αn et
αp en simulant une diode Schottky 1D en SiC–6H (N ou P) soumise à un éclairement de
différentes longueurs d’onde à l’aide de l’outil ISE (Integrated Systems Engineering).
Les coefficients d’ionisation utilisés pour ces simulations sont donnés par les équations
(26) et (27) les autres modèles et paramètres employés sont rapportés dans l’annexe B.
Les simulations présentées ici ont été faites en considérant les caractéristiques
des dispositifs décrites dans le tableau suivant (Tableau 3–1). Les dopages et épaisseurs
des couches correspondent aux caractéristiques données par Cree Research pour les
plaquettes utilisées ultérieurement pour la réalisation des dispositifs de test.
Epaisseur de la
Dopage de la
couche épitaxiée couche épitaxiée
(e)
(Nd, Na)
15
–3
2,5
µm
Schottky N
5,5×10 cm
15
–3
2,5 µm
Schottky P
7×10 cm
Hauteur de
barrière (φ
φb)
1 eV
1,7 eV
Tension de
claquage
théorique (VBR)
614 V
612 V
Tableau 3–1 : Caractéristiques des structures simulées.
3.2.1. Simulation d’une injection pure de trous ou d’électrons.
Dans un premier temps, plaçons–nous dans le cas théorique d’une injection pure
de trous pour la Schottky de type N ou d’électrons pour la Schottky de type P en
générant optiquement des porteurs hors de la ZCE. Pour cela on éclaire le dispositif à
une longueur d’onde quelconque en imposant l’éclairement du semi–conducteur non pas
en surface mais à une profondeur z > e. Le facteur de multiplication (Fig. 3–1) est
calculé comme le rapport du courant photogénéré avec ionisation par impact sur celui
obtenu sans prendre en compte le phénomène d’avalanche. On voit apparaître la
multiplication (M > 1) pour V > 400 V dans le cas des trous et pour V > 550 V dans le
cas des électrons. Quand la tension dépasse les 600 V les deux courbes se rejoignent,
62
CHAPITRE 2
Mesure des coefficients d’ionisation du SiC-6H par la technique OBIC.
prés de la tension de claquage les électrons et les trous participent pleinement à la
multiplication.
SiC-6H à 300 K
M = M p (Schottky type n)
M = M n (Schottky type p)
M
100
10
1
0
50 250
300 350 400 450 500
Tension inverse (V)
550
600
Fig. 3–1 : Variation de M pour une injection pure de trous ou d’électrons.
En supposant le champ électrique constant dans l’épitaxie N et αn négligeable
devant αp , on peut ainsi déterminer αp à partir des mesures de M de la Schottky N et de
son expression qui se ramène à : M = M p =
α
1
. Pour extraire αn , on pose p = k et
−α p W
αn
exp
on résout l’équation M = Mn = f(αn , k) en fixant la valeur de k. La couche épitaxiée N
ou P étant désertée dès les faibles valeurs de V (34 V pour le type N et 43 V pour le type
P), on prendra W = 2,58 µm et E = −
V
.
W
Dans la gamme de champ électrique [1,5×106 – 2,2×10 6 ] V/cm on retrouve bien
les valeurs de αp utilisées pour la simulation (Fig. 3–2). Pour les électrons la plage est
beaucoup plus réduite, en effet le phénomène d’avalanche apparaît plus tard
(E > 1,8 ×106 V/cm) et l’ionisation induite par les trous vient perturber les mesures pour
E ≥ 2,2×106 V/cm.
Au vu des résultats de ces simulations, nous disposons d’une plage de tension
[400 - 570] V suffisamment étendue pour espérer mesurer αp . En revanche la
détermination de αn apparaît beaucoup plus critique.
63
CHAPITRE 2
Mesure des coefficients d’ionisation du SiC-6H par la technique OBIC.
6
5
10
2,4x10 2,2x10
6
E (V/cm)
1,8x10
6
1,6x10
6
1,4x10
6
α p extrait de Mp
α n extrait de Mn
αp
4
-1
6
SiC-6H à 300 K
10
α n & α p (cm )
2x10
3
10
2
10
αn
1
10
αp utilisé pour la simulation
αn utilisé pour la simulation
0
10
4,0x10
-7
4,5x10
-7
5,0x10
-7
-7
5,5x10 6,0x10
1/E (cm/V)
-7
6,5x10
-7
7,0x10
-7
7,5x10
-7
Fig. 3–2 : αn et αp en fonction du champ électrique, extraits à partir des variations de
M n et MP.
Le banc expérimental et le véhicule–test utilisés ne nous permettent pas de nous
placer exactement dans les conditions de simulations. En effet lors des mesures le
dispositif sera éclairé en surface avec des longueurs d’onde plus ou moins absorbées à
travers le métal semi–transparent, donc les porteurs seront aussi générés dans la ZCE.
3.2.2. Simulation d’une injection mixte de porteurs.
On se propose d’étudier le cas en simulant la structure (N ou P) soumise à un
éclairement de différentes longueurs d’onde (300 nm, 351,1 nm et 364,7 nm) à partir de
la surface. Le facteur de multiplication est calculé pour chaque configuration.
Comme précédemment la multiplication apparaît pour V > 400 V pour la
Schottky N (Fig. 3–3). Dans la gamme de tension [450 – 610] V on observe une
diminution des valeurs de M lorsque la longueur d’onde d’éclairement diminue.
Lorsqu’on éclaire la diode à λ = 300 nm la plupart des photons sont absorbés dans la
ZCE, la multiplication est dominée par les porteurs générés dans la ZCE. Le cas d’un
éclairement à une longueur d’onde relativement longue (351,1 nm, 364,7 nm), est plus
favorable à une multiplication par les trous, bien que la multiplication dans la ZCE ne
soit pas négligeable.
64
CHAPITRE 2
Mesure des coefficients d’ionisation du SiC-6H par la technique OBIC.
100
M pour λ = 300 nm
M pour λ = 351,1 nm
M pour λ = 364,7 nm
M
M pour une injection pure de trous
10
1
0
50
250
300
350
400
450
500
550
600
Tension inverse (V)
Fig. 3–3 : Variation de M de la Schottky type N en fonction de la tension pour
différentes longueurs d’onde d’éclairement.
Pour déterminer αp on suppose le champ constant dans la structure et M = M p
dans la Schottky de type N. Des variations de M on calcule alors les valeurs de αp que
l’on peut écrire :
α p = 1,11×10 exp
7
 1,67×107
-
E




pour λ =364,7 nm (44)
Le fait de supposer qu’un seul type de porteurs favorise la multiplication
entraîne une erreur de plus de 40% à 70% suivant la longueur d’onde d’éclairement sur
les valeurs obtenues pour αp (Fig. 3–4) dans la gamme de champ électrique [1,6×10 6 –
2,2×106] V/cm. Les erreurs commises sur l’extraction des paramètres sont dues au fait
que l’on néglige la multiplication dans la ZCE.
Pour λ = 300 nm, la longueur de pénétration du faisceau Lp est inférieure à
l’épaisseur de la couche épitaxiée. Ce qui signifie que plus de 63 % des porteurs sont
générés dans la ZCE. En posant M = MZCE et αn négligeable devant αp , on obtient alors
des valeurs pour αp 15 à 20 % supérieures à celles utilisées lors de la simulation, αp
s’écrit alors sous la forme :
α p = 1,46×10 exp
7
 1,6×107
-
 E



(45)
Ceci est dû au fait que l’on néglige la multiplication induite par les trous
photogénérés hors ZCE, alors que l’on a (voir § 1.3.1) :
65
CHAPITRE 2
Mesure des coefficients d’ionisation du SiC-6H par la technique OBIC.
M p J N , p + M ZCE J ZCE
M=
(46)
J ph (V0 )
E (V/cm)
6
2,4x10 2,2x10
6
6
2x10
1,8x10
6
1,6x10
6
6
1,4x10
α p extrait pour λ = 300 nm avec M = MZCE
α p utilisé pour la simulation
4
-1
α p (cm )
10
3
10
Pour M = Mp
α p extrait pour λ = 363,8 nm
2
10
α p extrait pour λ = 351,1 nm
α p extrait pour λ = 300 nm
4,0x10
-7
4,5x10
-7
5,0x10
-7
-7
5,5x10 6,0x10
1/E (cm/V)
-7
6,5x10
-7
7,0x10
-7
7,5x10
-7
Fig. 3–4 : αp en fonction du champ électrique, extrait à partir des mesures de M à
différentes longueurs d’onde.
Pour la Schottky de type P nous obtenons des valeurs de M (Fig. 3–5)
supérieures à Mn . Comme on le remarque sur les courbes M augmente dès 450 V, c’est
donc l’ionisation par des porteurs photogénérés dans la ZCE que l’on observe. Il
apparaît donc impossible de connaître αn directement à partir des mesures de M si
αn << αp .
100
M pour λ = 300 nm
M pour λ = 351,1 nm
M pour λ = 364,7 nm
M
M pour une injection pure d'électrons
10
1
0
50
250
300 350 400 450 500
Tension inverse (V)
550
600
Fig. 3–5 : Variation de M de la Schottky type P en fonction de la tension pour
différentes longueurs d’onde d’éclairement.
66
CHAPITRE 2
Mesure des coefficients d’ionisation du SiC-6H par la technique OBIC.
3.2.3. Détermination des coefficients d’ionisation à partir des
mesures OBIC d’une Schottky de type N.
Comme nous l’avons vu, le fait de considérer qu’une partie de la multiplication
(M = M ZCE ou M = Mp) et que le champ électrique est constant dans la structure entraîne
des erreurs importantes sur les valeurs de αp . Toutefois ces valeurs approchées
constituent un élément de départ pour l’optimisation par simulation de αp et αn .
L’étape de simulation consistera à faire coïncider les valeurs mesurées de M
avec celles calculées par simulation d’une diode Schottky prenant en compte les
spécificités de la structure de test (dopage et épaisseur de la couche épitaxiée et hauteur
de barrière). Le fait de considérer le profil réel de dopage de la couche épitaxiée extrait
des mesures C(V) permet de prendre en compte la répartition réaliste du champ
électrique dans la structure. La méthode d’optimisation de αp et αn est basée sur la
minimisation de l’erreur ( ε =
n
∑ (M
i=1
i, mesuré
-M i,simulé
)
2
) en faisant varier les paramètres
− bn ,p
ap, bp , an et bn des expressions : α n ,p = an ,p exp
E
.
Nous proposons donc de valider cette étape en exploitant les résultats obtenus
dans le paragraphe précédent (équations (44) et (45)). Les valeurs calculées du facteur
de multiplication M d’une structure unidimensionnelle éclairée à λ = 300 nm ou à
λ = 364,7 nm sont ensuite comparées à celles obtenues par simulation d’une diode
Schottky (M300 et M364) dont les coefficients d’ionisation sont fournis par les équations
(26) et (27)
Comme le montre la figure suivante (Fig. 3–6) qui compare M300 à M calculé
pour αn = 0, le fait de négliger la contribution de la multiplication par les électrons n’a
pas d’influence sur les variations de M lorsque VR < 550 V. Il apparaît clairement que
l’ionisation induite par les électrons n’intervient réellement que pour les tensions très
proches de VBR (570 V < VR ).
67
CHAPITRE 2
Mesure des coefficients d’ionisation du SiC-6H par la technique OBIC.
SiC-6H à 300 K
λ = 300 nm
100
M
10
M
M (α n = 0)
1
0
50 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700
Tension inverse (V)
Fig. 3–6 : Influence de αn sur les valeurs de M calculées à 300 K par simulation d’une
Schottky N à 300 K éclairé à λ =300 nm.
On peut donc dans un premier temps, fixer αn égal à 0 pour optimiser αp dans la
gamme de tension [400 - 550] V. Ainsi on obtient avec une erreur < 1 % sur M :
α p = 1,5×10 exp
7
 1,65×107
-
E




pour λ = 300 nm (47)
et
α p = 1,67×10 exp
7
 1,67×107 
-

E


pour λ =364,7 nm (48)
E (V/cm)
6
2,4x10 2,2x10
6
2x10
6
1,8x10
6
6
6
1,6x10
1,4x10
α p optimisé pour λ = 300 nm (eq 44)
α p optimisé pour λ = 364,7 nm (eq 45)
4
-1
α p (cm )
10
10
3
10
2
α p donné par Konstantinov ([Konstantionv'98])
-7
4,0x10
-7
4,5x10
-7
5,0x10
-7
5,5x10 6,0x10
1/E (cm/V)
-7
-7
6,5x10
-7
7,0x10
-7
7,5x10
Fig. 3–7 : αp en fonction du champ électrique, optimisé par simulation à différentes
longueurs d’onde pour obtenir une erreur sur les variations de M < 1 % dans la
gamme de tension 400 – 570 V.
68
CHAPITRE 2
Mesure des coefficients d’ionisation du SiC-6H par la technique OBIC.
Les expressions du coefficient d’ionisation des trous obtenues après
optimisation par simulation sont relativement proches de celle donnée par Konstantinov
(équation (26)) l’erreur commise sur les paramètres ap et bp est inférieure à 10 %. Ces
résultats tendent à prouver que cette étape est nécessaire pour atténuer les erreurs dues à
la simplification de l’expression de M.
A partir de ces simulations on peut aussi obtenir une expression approchée de
αn . Pour cela on fixe αp et on fait varier les paramètres an et bn de αn afin de minimiser ε
sur toute la gamme de tension. Les valeurs obtenues pour ε < 1 % sont :
α n = 3,68×10 exp
5
 1,65×107
-
E




 1,67×107
-
E




pour λ = 300 nm (49)
et
α n = 3,64×10 5 exp
pour λ =364,7 nm (50)
E (V/cm)
6
10
3
2,4x10 2,2x10
6
2x10
6
1,8x10
6
1,6x10
6
1,4x10
6
α n optimisé pour λ = 300 nm (eq 46)
α n optimisé pour λ = 364,7 nm (eq 47)
2
-1
α n (cm )
10
10
1
10
0
α n donné par Konstantinov ([Konstantionv'98])
-7
4,0x10
-7
4,5x10
-7
5,0x10
-7
-7
5,5x10 6,0x10
1/E (cm/V)
-7
6,5x10
-7
7,0x10
-7
7,5x10
Fig. 3–8 : αn en fonction du champ électrique, optimisé par simulation à différentes
longueurs d’onde pour obtenir une erreur sur les variations de M < 1 % sur toute la
gamme de tension.
4.
Conception et réalisation du dispositif de test.
Le but est de concevoir et de réaliser une diode Schottky dont la tension de
claquage se rapproche le plus possible de celle en volume. Il faut donc définir une
69
CHAPITRE 2
Mesure des coefficients d’ionisation du SiC-6H par la technique OBIC.
protection périphérique de la jonction adéquate. Afin de connaître la répartition réelle du
champ électrique dans la structure il est indispensable de pouvoir extraire le profil de
dopage et l’épaisseur de la couche active des mesures C(V). Ceci suppose donc une
couche fine et faiblement dopée (Tableau 3–1).
4.1. Conception du véhicule–test avec l’outil ISE
L’extension latérale de jonction implantée (JTE) est étudiée au laboratoire
depuis 1995. Son efficacité de protection de la jonction principale pour les dispositifs en
SiC avoisine théoriquement les 95%. C’est pour ces raisons que nous avons choisi ce
type de protection périphérique.
Toutes les simulations ont été réalisées avec une couche d’air en surface du SiC
et une marge latérale de 20 µm. La densité de charge à l’interface air/semi-conducteur
est considérée comme nulle. La tension de claquage VBR des dispositifs simulés est
déterminée à partir du niveau du courant inverse dans la structure. En fait quand
M=
I(V)
100 alors on considère que le composant est claqué.
I(V0 )
Les profils de dopage adoptés essaient de prendre en compte la canalisation des
dopants implantés dans SiC. Le simulateur (I2 SiC) réalisé par E. Morvan nous permet de
prédire assez précisément l’allure du profil de dopage implanté [Morvan’99]. C’est à
partir de résultats obtenus avec le simulateur que nous avons déterminé l’allure des
profils utilisés dans les différentes simulations (Fig. 4–1).
10
18
10
17
10
16
10
15
10
14
10
13
Profil utilisé en simulation
Profil simulateur E.MORVAN
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
Profondeur en µm
0,35
0,40
18
10
17
10
16
10
15
10
14
Profil utilisé en simulation
Profil simulateur E.MORVAN
-3
Concentration d'aluminium (cm )
-3
Concentration d'azote (cm )
Aluminium
10
0,45
Azote
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
Profondeur en µm
Fig. 4–1 : Comparaison des profils de dopage des JTE utilisés pour les simulations
électriques du véhicule test avec les profils obtenus par le simulateur I²SiC.
70
CHAPITRE 2
Mesure des coefficients d’ionisation du SiC-6H par la technique OBIC.
Deux types de structures sont étudiés : la première avec une simple JTE que
l’on nomme JTE1 (Fig. 4–2) et la seconde avec une JTE renforcée par une seconde JTE
(JTE2 ) plus dopée en périphérie du contact Schottky (Fig. 4–3).
Couche d'air
Couche d'air
Contact Schottky
P1
JTE1
Marge
latérale
L1
P1
Contact Schottky
L2
P2 JTE1
JTE2
L1
Marge
latérale
Couche épitaxiée
Couche épitaxiée
Substrat
Substrat
Fig. 4–2 : Structure avec Simple JTE. Fig. 4–3 : Structure avec double JTE.
Les deux diodes, Schottky de type N et Schottky de type P sont étudiées en
parallèle. Les caractéristiques des couches épitaxiées utilisées dans les simulations sont
celles indiquées par le fournisseur (Cree Research), elles ont été données dans le
Tableau 3–1.
Dans le cas de la première structure on optimise les paramètres de la JTE1
(dopage, profondeur et longueur), pour obtenir la tension de claquage maximale
(Tableau 4–1). Dans cette configuration le champ électrique maximum se retrouve en
surface en périphérie du contact et de la JTE. (Fig. 4–4).
Schottky n
Schottky p
D1 (cm–3 )
6×1017
6×1017
P1 (µm)
0,4
0,3
L1 (µm)
70
70
VBR (V)
606
602
% du VBR en volume
98,6
98,4
Champ Electrique (V / cm)
Tableau 4–1 : Caractéristiques de la JTE 1 déterminées par simulation.
3,0x10
6
(D 1 = 6.10
17
2,5x10
6
cm P 1 = 0,4 µm)
Schottky p
2,0x10
6
(D 1 = 6.10
17
cm P 1 = 0,3 µm)
1,5x10
6
1,0x10
6
5,0x10
5
Schottky n
3
3
0,0 Contact Schottky
-5,0x10
5
-1,0x10
6
JTE1
épitaxie
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
X (µm)
Fig. 4–4 : Répartition du champ électrique en surface des Schottky N et P au moment
du claquage pour une JTE 1 optimisée.
71
CHAPITRE 2
Mesure des coefficients d’ionisation du SiC-6H par la technique OBIC.
Nous avons donc envisagé une structure avec une seconde JTE (JTE2 ) plus
dopée qui favoriserait la protection de la métallisation en éloignant le pic de champ
électrique du bord du contact Schottky. Pour éviter la présence d’un pic de champ
électrique en périphérie de la métallisation il faut que la JTE2 ne soit pas totalement
désertée lorsque l’on atteint la tension de claquage. Pour cela le dopage de la JTE2 doit
être supérieur à 1×1018 cm –3 . La structure optimale dont les paramètres sont reportés
dans le tableau suivant (Tableau 4–2), claque en périphérie de la JTE2 (Fig. 4–5, Fig. 4–
6), où l’on remarque la présence un champ important.
D1
(cm–3 )
Schottky n 6×1017
Schottky p 6×1017
P1
(µm)
L1
(µm)
D2
(cm–3 )
P2
(µm)
L2
(µm)
VBR
(V)
0,4
0,3
70
70
1,6×1018
1,6×1018
0,3
0,25
20
20
593
591
%
du VBR en
volume
96,6
96,6
Tableau 4–2 : Caractéristiques des JTE 1 et JTE 2 pour la structure optimale.
6
Champ Electrique (V / cm)
2,6x10
6
2,4x10
6
2,2x10
6
2,0x10
6
1,8x10
6
1,6x10
6
1,4x10
6
1,2x10
6
1,0x10
5
8,0x10
5
6,0x10
5
4,0x10
5
2,0x10
0,0
-2,0x10
Répartition de E
en surface
à 0,3 µm
Contact Schottky
JTE2
5
0
20
40
60
80
X (µm)
JTE1
100
120
140
Fig. 4–5 : Répartition du champ électrique à différentes profondeurs pour V = VBR
dans la Schottky N avec double JTE optimisée.
Champ Electrique (V / cm)
6
2,8x10
6
2,6x10
6
2,4x10
6
2,2x10
6
2,0x10
6
1,8x10
6
1,6x10
6
1,4x10
6
1,2x10
6
1,0x10
5
8,0x10
5
6,0x10
5
4,0x10
5
2,0x10
0,0
-2,0x10
Répartition de E
en surface
à 0,25 µm
Contact Schottky
JTE2
5
0
20
40
60
80
X (µm)
JTE1
100
120
140
Fig. 4–6 : Répartition du champ électrique à différentes profondeurs pour V = VBR
dans la Schottky P avec double JTE optimisée.
72
CHAPITRE 2
Mesure des coefficients d’ionisation du SiC-6H par la technique OBIC.
Toutes ces simulations ont été réalisées sans tenir compte des incertitudes sur le
dopage ou la profondeur des couches implantées ou épitaxiées. Les paragraphes suivants
présentent les performances du dispositif optimisé en fonction des variations des
caractéristiques des JTE ou de la couche épitaxiée.
4.1.1. Rôle des paramètres des JTE sur la tenue en tension.
Les paramètres influents sur l’efficacité des terminaisons de jonction implantées
sont le couple dopage, profondeur (D, P) et la longueur (L).
Les longueurs des JTE1 et JTE2 n’ont aucune influence sur le VBR si elles sont
supérieures ou égales à 15 µm. L’erreur sur l’alignement et l’ouverture du masque lors
de l’étape de photolithographie n’excède pas 5 µm. Donc les longueurs choisies pour les
JTE1 et JTE2 (L1 = 70 µm et L2 = 20 µm) n’auront aucune conséquence sur la tenue en
tension expérimentale des Schottky.
Pour le dopage et la profondeur il en est tout autre. Bien que la profondeur
d’implantation soit un paramètre que l’on maîtrise, il reste une incertitude sur la valeur
du dopage des JTE. L’étape d’implantation nécessaire à la création d’une jonction
localisée dans le SiC est suivie d’un recuit à haute température permettant d’activer
électriquement les dopants. Lors des simulations pour optimiser le dopage des JTE nous
avons considéré un taux d’activation électrique de 100 % (le taux d’activation électrique
est défini comme le rapport du nombre d’atomes en sites substitutionels sur le nombre
d’atomes implantés). Or celui-ci peut varier de 30 à 100 % pour l’aluminium
[Ottaviani’99] et de 40 à 100 % pour l’azote. La JTE 2 ne servant qu’à éviter le claquage
en périphérie du contact, les variations du dopage de la JTE2 liées au taux d’activation
électrique n’auront donc qu’une faible influence sur la tenue en tension. En revanche,
comme le montre la figure suivante (Fig. 4–7), les variations du dopage de la JTE1 ont
une grande influence sur la tenue en tension. Avec un taux d’activation électrique de
60 % on a pour la Schottky de type N D1 = 3,6×10 17 cm–3 et VBR < 500 V, ce qui ne
permet pas de déterminer les coefficients d’ionisation à partir des mesures de M. Pour
cela il faudrait avoir un taux d’activation électrique des dopants ≥ 70 %.
73
CHAPITRE 2
Mesure des coefficients d’ionisation du SiC-6H par la technique OBIC.
620
600
580
560
Vbr (V)
540
520
500
480
460
Vbr Schottky n
Vbr Schottky p
440
420
3,50x10
17
5,50x10
17
7,50x10
17
9,50x10
17
1,15x10
1
-3
Dopage de la poche (cm )
Fig. 4–7 : Variation de VBR en fonction du dopage D1 de la JTE 1 .
4.1.2. Rôle des caractéristiques de la couche épitaxiée sur la
tenue en tension.
Les caractéristiques des couches épitaxiées sont données avec une incertitude de
50% sur le dopage (Nd, Na ) et de 20 %sur l’épaisseur (e).
Les simulations ont été effectuées avec les caractéristiques des JTE optimisées
(Tableau 4–2). Pour une épaisseur donnée le dopage n’a qu’une faible influence sur la
tenue en tension. Par contre les variations de l’épaisseur de la couche épitaxiée
entraînent une différence non négligeable dans les valeurs de VBR obtenues (Tableau 4–
3).
Schottky N
Schottky P
Nd (cm –3)
Na (cm –3)
2,75× 10 15
5,5×1015
8,25× 10 15
3,5×1015
7×1015
1,05× 10 16
2 V BR = 490 V V BR = 489 V V BR = 488 V V BR = 491 V V BR = 490 V V BR = 489 V
e
2,5 V BR = 594 V V BR = 592 V V BR = 590 V V BR = 594 V V BR = 591 V V BR = 586 V
(µm)
3 V BR = 695 V V BR = 691 V V BR = 688 V V BR = 695 V V BR = 690 V V BR = 685 V
Tableau 4–3 : Tension de claquage en fonction des variations du dopage et de
l’épaisseur des couches épitaxiées.
En conclusion on obtient un dispositif ( de type N ou P) protégé par double JTE
permettant une tenue en tension suffisante pour pouvoir mesurer les coefficients
d’ionisation. En effet les paramètres ont été optimisés de telle sorte que les protections
choisies aient une efficacité de 96,5% pour les Schottky N et P et pour éviter le claquage
en bordure de métal. Cependant la principale inconnue reste le taux d’activation
74
CHAPITRE 2
Mesure des coefficients d’ionisation du SiC-6H par la technique OBIC.
électrique des dopants implantés qui peut avoir des conséquences catastrophiques sur
l’efficacité des protections périphériques et donc ne pas permettre la mesure des
coefficients d’ionisation.
4.2. Réalisation des diodes Schottky.
Les diodes sont réalisées sur des couches épitaxiées N (5,5×10 15 cm–3 – 2,5 µm)
ou P (7×1015 cm–3 – 2,5 µm) de chez Cree Research. Les contacts ont été conçus au
Département d’Ingénierie Electrique et Electronique de l’Université de Newcastle. Une
évaporation de 10 nm de nickel a permis d’élaborer le contact Schottky semi–transparent
sur la couche épitaxiée. Les contacts ohmiques en face arrière sont obtenus par dépôt de
nickel (type N) ou d’aluminium recouvert de titane (type P) recuits à 800 °C. Des
implantations multiples d’azote ou d’aluminium à température ambiante suivies d’un
recuit à 1600 °C pendant 30 minutes permettent d’obtenir les JTE dont les
caractéristiques sont rappelées dans le tableau suivant (Tableau 4–4).
Nombre d’implantations
Energie (keV)
Dose totale (cm–2)
Profondeur (µm)
Dopage visé (cm–3)
Aluminium
JTE1
JTE2
5
9
160 à 30 160 à 30
1,2×1013 2,6×1013
0,4
0,4
17
1,6×1018
6×10
Azote
JTE1
JTE2
6
10
130 à 20 130 à 20
1,2×1013 2,5×1013
0,3
0,3
17
6×10
1,6×1018
Tableau 4–4 : Paramètres technologiques pour la réalisation des JTE.
La figure ci–dessous (Fig. 4–8) présente le schéma des diodes Schottky : φext est
le diamètre de la métallisation de l'anode, et φint est le diamètre permettant un
éclairement en volume.
fext
fint
Anneau
de contact
Contact Schottky Semi-Transparent
JTE1 JTE2
L2
L1
Fig. 4–8 : Schéma de la diode Schottky.
75
CHAPITRE 2
Mesure des coefficients d’ionisation du SiC-6H par la technique OBIC.
Les caractéristiques des différentes géométries sont présentées dans le Tableau
4–5.
φext (µm)
φint (µm)
L1 (µm)
L2 (µm)
S1a
320
100
–
–
S1b
420
200
–
–
Nom des
S1c
520
300
–
–
diodes
S2
320
100
70
–
S3a
320
100
70
20
S3b
420
200
70
20
Tableau 4–5: Caractéristiques géométriques des diodes Schottky.
5.
Mesures.
5.1. Caractérisation des différents paramètres technologiques.
Comme nous l’avons vu précédemment (§ 3.2.2), pour déterminer αn et αp il est
nécessaire de connaître avec précision les différents paramètres de la structure de test.
Les caractéristiques de la Schottky de type N que nous avons extraites de différentes
mesures électriques et analyses physico–chimiques sont présentées dans ce paragraphe.
Des problèmes survenus lors de la réalisation des Schottky de type P ont entraîné un
retard non négligeable dans la caractérisation. Nous ne présenterons donc pas dans cette
partie les résultats électriques de ces dispositifs.
5.1.1. Caractéristiques de la couche épitaxiée.
On peut accéder aux paramètres de la couche épitaxiée à partir des mesures de
la capacité en fonction de la tension inverse appliquée de chaque type de diode (S1, S2
et S3).
Les courbes 1/C2 en fonction de la tension inverse appliquée sont calculées à
partir des mesures C(V) à 300 K et à une fréquence de 100 kHz. On constate que ces
caractéristiques ne sont pas linéaires pour les diodes S2 et S3 (Fig. 5–1). La jonction PN
créée par la JTE vient perturber la mesure : on se retrouve avec deux capacités de
jonction en parallèle.
76
2
-2
1/C (F )
CHAPITRE 2
Mesure des coefficients d’ionisation du SiC-6H par la technique OBIC.
1x10
23
9x10
22
8x10
22
7x10
22
6x10
22
5x10
22
4x10
22
3x10
22
2x10
22
1x10
22
0
-40
S1b
S1c
S1c
S2
S3a
S3b
-35
-30
-25 -20 -15
Tension (V)
-10
-5
0
Fig. 5–1 : Variation de 1/C2 en fonction de la tension inverse pour différents types de
diodes à 300 K.
Le profil de dopage et la profondeur de la couche épitaxiée sont donc extraits
des mesures de S1 (Fig. 5–2). Les résultats obtenus ne correspondent pas exactement
aux valeurs spécifiées par le fournisseur. De plus on a pu constater une dispersion des
résultats (6,5×1015 cm–3 < Nd < 8,5×1015 cm –3 et 2 µm < e < 2,3 µm).
17
-3
Dopage de la couche épitaxiée (cm )
10
S1b
S1c
S1c
10
16
10
15
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4
Epaisseur de la couche épitaxiée (µm)
Fig. 5–2 : Profil de dopage dans l’épitaxie extrait des mesures C(V) à 300 K.
En introduisant le profil réel du dopage de la couche N dans le simulateur on
détermine ainsi la tension de claquage théorique des Schottky de type N. Etant donné la
dispersion des résultats, nous avons choisi de simuler deux structures dont les profils
sont les cas extrêmes. Pour la première on considère une épaisseur de 2,1 µm et un
dopage de 8×1015 cm–3 et pour la seconde le dopage pris en compte est de 6×1015 cm –3
pour une épaisseur de 2,3 µm. Les tenues en tension respectives obtenues sont de 534 V
et de 574 V.
77
CHAPITRE 2
Mesure des coefficients d’ionisation du SiC-6H par la technique OBIC.
5.1.2. Paramètres des JTE.
Des analyses SIMS (Secondary Ion Mass Spectroscopy) réalisées sur des
échantillons témoins des étapes d’implantations d’aluminium permettent d’obtenir la
concentration chimique d’aluminium effectivement implanté.
Le niveau obtenu pour la JTE1 est trois fois plus faible que celui visé (Fig. 5–3).
La difficulté à maîtriser les faibles doses lors de l’implantation a induit une
contamination en oxyde de bore non négligeable. En faisant la somme du profil
d’aluminium et de bore on retrouve un profil proche de celui souhaité.
18
10
2
Profil d'aluminium simulé(I SiC)
Profil SIMS de bore avant recuit
Profil SIMS d'aluminium avant recuit
Σ du profil de bore et du profil d'aluminum
-3
Concentration (cm )
17
10
16
10
15
10
14
10
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
Profondeur en µm
0,5
0,6
0,7
Fig. 5–3 : Profils chimique d’impuretés Al et B de la JTE 1 obtenus par analyses SIMS
d’échantillons témoins d’implantation avant recuit tenant compte d’une gravure de 40
nm en surface du SiC.
Lors des analyses SIMS réalisées après recuit (1600 °C pendant 30 mn dans la
configuration F3) sur des motifs spécifiques présents sur la plaquette (Fig. 5–4), le bore
n’a pu être détecté. Ceci s’explique certainement par une diffusion du bore pendant le
recuit post implantation. Par contre on peut remarquer que le profil d’aluminium est
conservé après recuit. La dose totale implantée après recuit de la JTE1 (2×10 12 cm -2 ) est
bien inférieure à celle visée (1,2×1013 cm -2 ). Dans ces conditions on peut s’attendre à ce
que la tension de claquage des dispositifs soit affectée.
78
CHAPITRE 2
Mesure des coefficients d’ionisation du SiC-6H par la technique OBIC.
20
10
Profil SIMS d'aluminium avant recuit
Profil SIMS d'aluminium aprés recuit
Profil SIMS d'aluminium aprés recuit
19
-3
Concentration (cm )
10
18
10
17
10
16
10
15
10
14
10
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
Profondeur en µm
0,5
0,6
Fig. 5–4 : Profils de dopage de la JTE1 obtenus par analyses SIMS de motif de tests à
différents endroits sur la plaquette après recuit F3.
La JTE2 est réalisée par une série d’implantation pour obtenir une concentration
de 1×1018 cm -3 sur une profondeur de 0,25 µm complétée par la séquence d’implantation
de la JTE1 . On remarque (Fig. 5–5) tout d’abord sur le profil après recuit une
concentration d’aluminium plus élevée que sur l’échantillon témoin sur une profondeur
de 0,1 µm. La concentration diminue ensuite pour rejoindre le profil dû à la séquence
d’implantation de la JTE 1 .
19
2
Profil calculé (I SiC)
-3
Concentration d'aluminium (cm )
10
18
10
17
10
16
10
15
10
14
10
0,0
Profil SIMS avant recuit (échantillon témoin)
Profil SIMS après recuit (sur la plaquette)
0,1
0,2
0,3
0,4
Profondeur (µm)
0,5
0,6
0,7
Fig. 5–5 : Profils d’aluminium de la JTE 2 obtenus par analyses SIMS d’échantillons
témoins et de motifs spécifiques présents sur la plaquette.
Bien que la dose de cette poche soit plus faible que prévue (1,7×10 13 cm -2 ) elle
est suffisante pour pallier le déficit de la JTE1 . Des simulations effectuées avec les
79
CHAPITRE 2
Mesure des coefficients d’ionisation du SiC-6H par la technique OBIC.
différents profils de dopage expérimentaux (épitaxie et JTE) ont montré que dans ces
conditions les poches avaient une efficacité de l’ordre de 90 %.
5.1.3. Caractéristiques électriques.
Toutes les diodes ont été caractérisées en direct (0 à 5 V) et en inverse
(0 à - 110 V) à 300 K. Lors de ces tests on a pu dégager un comportement spécifique
pour chaque type de diode S1, S2 et S3 (Fig. 5–6).
3
-3
10
-2
-2
-4
10
Densité de courant (A.cm )
Type n
S1b
S2
S3a
S3a
S3b
S3b
Densité de courant (A.cm )
10
2
10
1
10
0
10
-1
10
-2
10
-3
10
-4
10
-5
10
-6
10
-7
10
-8
10
-9
10
-10
10
-11
10
-5
10
-6
10
-7
10
-8
10
-9
10
-10
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
Tension (V)
3,5
4,0
4,5
10
5,0
Type n
S1b
S2
S3a
S3a
S3b
S3b
-110 -100 -90
-80
-70
-60
-50
Tension (V)
-40
-30
-20
-10
0
Fig. 5–6 : Caractéristiques directes et inverses de différentes diodes Schottky N à
300 K.
Sous polarisation directe les caractéristiques obtenues ont la même allure : un
seuil en tension vers 0,1 V puis une zone qui s’étend sur 8 à 9 décades où le courant
qV
croît de manière exponentielle ( J d = J S exp nkT ) avec un coefficient d’idéalité n proche de
1,1 avant de s’infléchir à Jd = 1 A /cm 2 . La hauteur de barrière φb extraite de ces courbes
est de l’ordre de 1,1 eV. Certaines diodes présentent un courant en excès
(10-5 A/cm2 < J d < 10–4 A/cm 2 ) dès 0 V avant de rejoindre une caractéristique typique.
En inverse chaque type de diode a un comportement particulier. Les diodes S1
présentent une caractéristique avec un courant de fuite très faible et qui varie très peu
avec la tension. Les diodes S2 ont une caractéristique similaire mais deux décades
au-dessus en courant. Les S3 quant à elles présentent un courant qui croît de manière
exponentielle avec J r = 10 –6 A/cm 2 sous –110 V. Les meilleurs résultats obtenus sont
reportés dans le Tableau 5–1.
80
CHAPITRE 2
Mesure des coefficients d’ionisation du SiC-6H par la technique OBIC.
Diodes
Densité de courant direct
J d (A/cm²) à 2 V
Coefficient d’idéalité n
Densité de courant inverse
Jr (A/cm²) à –110 V
Hauteur de barrière
φb (eV)
Dopage de l’épitaxie
De (cm–3)
Epaisseur de l’épitaxie
e (µm)
Tension de claquage
expérimentale (V)
S1
27
Schottky N
S2
S3a
40
45
S3b
35
1,03
1×10–7
1,12
7×10–6
1,09
1,56×10–6
1,09
2,6×10–6
1,12
1,07
1,09
1,09
300
400
400
6×1015 à
8×1015
2,1 à 2,3
250
Tableau 5–1 : Caractéristiques des Schottky extraites des mesures I(V) et C(V) à
300 K dans l’air.
La faible tenue en tension des dispositifs avec poche est liée à plusieurs
phénomènes. Le dopage des JTE1 n’étant pas celui envisagé seule la JTE2 pouvait
assurer le rôle de protection périphérique. La longueur de cette poche étant relativement
faible (20 µm) il se peut que le claquage prématuré des composants soit en partie lié au
milieu ambiant. D’autre part lors des mesures OBIC de diodes S2 (JTE simple) à faible
tension (200 V) nous n’avons pas détecté de photocourant sur la poche. Il semblerait
donc que le taux d’activation électrique des dopants soit inférieur à 100 % et diminue
encore ainsi les performances des extensions latérales de jonction.
La tenue en tension expérimentale (400 V) des composants avec double JTE
étant inférieure aux prévisions, les mesures du facteur de multiplication n’ont pu être
réalisées. Ce qui a rendu impossible la détermination des coefficients d’ionisation.
6.
Conclusion.
La littérature concernant l’extraction des coefficients d’ionisation de différents
matériaux fait état de plusieurs techniques et de plusieurs types de dispositifs. La
technique la plus couramment employée est la création de porteurs en excès engendrée
par un faisceau électronique ou optique dans une diode bipolaire ou Schottky polarisée
en inverse afin de mesurer les variations du facteur de multiplication M en fonction de la
tension appliquée.
81
CHAPITRE 2
Mesure des coefficients d’ionisation du SiC-6H par la technique OBIC.
En considérant les spécificités du SiC nous avons donc choisi une structure de
Schottky de type N ou P à contact semi–transparent, protégée par JTE dont la couche
active et relativement fine (2,5 µm) et le dopage est de l’ordre de quelque 1015 cm –3 . Les
caractéristiques de la couche épitaxiée de type N ou P permettent ainsi d’obtenir un
profil quasi rectangulaire du champ électrique dans la structure. L’utilisation du banc de
mesures OBIC permet, en sélectionnant la longueur d’onde d’éclairement de se placer
dans le cas d’une injection mixte de porteurs dans la ZCE ou de se rapprocher du cas
d’une injection pure de trous ce qui permet de simplifier considérablement l’expression
de M, d’où on peut extraire αp si l’on néglige l’effet de αn . Cette technique seule
engendre des erreurs non négligeables sur les valeurs obtenues. Nous avons donc choisi
de la compléter par une étape de simulation dont le but est d’affiner les coefficients
obtenus, en faisant varier les différents paramètres afin de faire coïncider la courbe de M
calculée en simulation avec celle mesurée. La prise en compte du profil exact de dopage
de la couche épitaxiée et des conditions réelles d’éclairement lors de la simulation
permet de considérer la répartition réelle du champ électrique dans la structure et la
véritable expression du facteur de multiplication. Ceci diminue considérablement les
erreurs commises sur l’expression de αp . Comme nous avons pu le constater les mesures
expérimentales de M pour une Schottky de type P ne permettent pas l’extraction directe
de αn . L’expression du coefficient d’ionisation des électrons sera déduite des
simulations réalisées pour obtenir les valeurs de αp .
Les tests électriques préliminaires des Schottky à grille semi–transparente ont
révélé une efficacité partielle des protections périphériques. Ce dysfonctionnement des
poches est dû à une trop faible valeur du dopage des JTE engendrée par une trop faible
dose d’aluminium implantée et un mauvais taux d’activation électrique du procédé de
recuit post–implantation utilisé.
Une augmentation de la dose totale implantée des JTE et l’utilisation d’une
autre configuration de recuit post implantation (F4) permettra à l’avenir d’obtenir des
Schottky dont la périphérie sera optimisée pour éviter le claquage prématuré du véhicule
test. Cela permettra de valider expérimentalement la méthode choisie pour déterminer
les coefficients d’ionisation et obtenir ainsi des valeurs αn et αp exploitables dans les
simulateurs.
82
Etude de la tenue en tension des dispositifs de puissance en carbure de silicium par
caractérisations OBIC et électriques.
CHAPITRE 3
Caractérisation de la tenue en tension de diodes
bipolaires planes 1,5 kV en SiC-6H.
1.
ETUDE DE DIODES BIPOLAIRES PROTÉGÉES PAR JTE DOPÉE BORE. ......86
1.1. DESCRIPTION DES DISPOSITIFS .....................................................................................86
1.2. RÔLE DU PROFIL DE L’ ÉMETTEUR SUR LA TENUE EN TENSION . ......................................87
1.2.1. Caractérisations électriques et analyse physico-chimique. ..........................................87
a) Caractéristiques électriques. ........................................................................................... 87
b) Tension de claquage....................................................................................................... 89
1.2.2. Mesures & Simulations OBIC. ...................................................................................91
1.2.3. Discussion. ...............................................................................................................93
1.3. CARACTÉRISATION DES DIODES AVEC JTE. ..................................................................94
1.3.1. Analyse des caractéristiques directes et inverses à 300 K............................................94
1.3.2. Evolution des caractéristiques avec la température.....................................................97
a) Sous polarisation directe. ............................................................................................... 97
b) Sous polarisation inverse................................................................................................ 98
1.3.3. Etude de la tenue en tension..................................................................................... 101
1.4. CONCLUSION . ........................................................................................................... 104
2.
RÔLE DE LA JTE DOPÉE ALUMINIUM SUR L’ÉVOLUTION DE LA TENSION
DE CLAQUAGE................................................................................................................ 104
2.1. DESCRIPTIONS DES DISPOSITIFS . ................................................................................ 104
2.1.1. JTE 99’F3. .............................................................................................................. 105
2.1.2. JTE 99’F4. .............................................................................................................. 105
2.2. COMPARAISON DES PERFORMANCES DES JTE99’F3 ET JTE99’F4................................ 106
2.2.1. Tests électriques à 300 K. ........................................................................................ 106
2.2.2. Etude des courants de fuite et de la tenue en tension. ................................................ 110
2.2.3. Mesures OBIC et discussion..................................................................................... 115
a) Mesures OBIC ............................................................................................................. 115
b) Discussion. .................................................................................................................. 117
3.
SYNTHÈSE............................................................................................................ 118
-
83
Etude de la tenue en tension des dispositifs de puissance en carbure de silicium par
caractérisations OBIC et électriques.
84
Etude de la tenue en tension des dispositifs de puissance en carbure de silicium par
caractérisations OBIC et électriques.
CHAPITRE 3
Caractérisation de la tenue en tension de diodes
bipolaires planes 1,5 kV en SiC-6H.
La réalisation et les caractérisations des différentes diodes ont été effectuées
pour valider certaines étapes technologiques comme le recuit post-implantation et
identifier les mécanismes physiques mis en jeu lors du claquage du composant. Ces
mesures permettent aussi d’analyser l’influence de différents paramètres (Dopage JTE,
défauts…) sur la tenue en tension de ces diodes.
Dans ce chapitre nous présenterons donc les résultats des tests électriques (I(V),
C(V)…) et analyses complémentaires, obtenus pour les différents dispositifs étudiés.
Toutes les diodes caractérisées ont été réalisées à partir du même jeu de
masques. Les figures ci-dessous (Fig. I) présentent le schéma des diodes bipolaires, ainsi
que celui des diodes Schottky : φm est le diamètre de la métallisation de l'anode, et φj est
le diamètre de l’émetteur P + . Les caractéristiques des différentes géométries de diodes
sont présentées dans le Tableau I.
φj
φm
Poche P
Lp
φm
Couche P+
Poche P
Couche épitaxiée N
+
Poche P P
Lp
Substrat N+
P+ Poche P
Couche épitaxiée N L
P+
Substrat N+
Fig. I : (a) Schéma de la diode bipolaire, (b) Schéma de la Schottky.
Nom des Schottky
S1
S2
S3
Φ j (µm)
Φ m (µm)
L p (µm)
LP+ (µm)
160
-
160
50
-
160
20
Nom des diodes bipolaires
D1
D2
D3
D4
160
160
160
250
120
220
120
210
120
120
120
D5
160
120
50
Tableau I : Récapitulatif des grandeurs géométriques (en µm) des différentes diodes
bipolaires et Schottky présentes sur un même champ.
85
CHAPITRE 3
Caractérisation de la tenue en tension de diodes bipolaires planes 1,5 kV en SiC-6H.
1.
Etude de diodes bipolaires protégées par JTE dopée bore.
Le but de cette étude est de déterminer l’influence réelle du profil de la jonction
principale et des protections sur la tenue en tension en utilisant divers moyens de
caractérisation ( I(V), C(V), OBIC, SIMS…). Pour cela on s’intéressera tout d’abord à
l’évolution de la tenue en tension des diodes sans JTE, puis aux caractéristiques des
composants avec extension latérale de jonction.
1.1. Description des dispositifs.
Ces diodes ont été réalisées sur un substrat SiC-6H de type N dopé à
1,5×1018 cm-3 sur lequel on a fait croître par épitaxie une couche de type N d’épaisseur
10 µm dopée à 3×1015 cm -3 . Deux méthodes ont été employées pour la réalisation de la
jonction principale par implantation d'aluminium : les cinq implantations nécessaires,
d’énergies comprises entre 25 keV et 300 keV, et introduisant une dose cumulée de
1,75x1015 cm -2, sont faites à 300 °C en commençant
• Soit par l’implantation d'énergie la plus forte (i.e. sens énergétique
décroissant, JTE98D),
• Soit par celle d'énergie la plus faible (i.e. sens énergétique croissant, JTE98C).
Une moitié de la plaquette est dédiée à chaque cas.
La protection des diodes de cette plaquette est réalisée par onze implantations
successives de bore (d’énergies comprises entre 20 keV et 340 keV , avec une dose
cumulée de 1,4x1013 cm -2 ). Ces implantations ont été suivies d’un recuit à 1700 °C
pendant 30 mn, dont la configuration nommée F3 (voir annexe C) est décrite plus en
détail dans la thèse de L. Ottaviani [Ottaviani’99]. Les contacts ohmiques sont réalisés
chez Siemens par dépôt de nickel (face arrière) et par empilement de couches
d’aluminium et de titane (face avant).
86
CHAPITRE 3
Caractérisation de la tenue en tension de diodes bipolaires planes 1,5 kV en SiC-6H.
1.2. Rôle du profil de l’émetteur sur la tenue en tension.
Pour étudier l’effet du profil de la zone P+ sur la tension de claquage une
trentaine de diodes D1 (Sans JTE) a été caractérisée. A peu prés la moitié de ces
dispositifs sont de type JTE98C.
1.2.1. Caractérisations électriques et analyse physico-chimique.
a) Caractéristiques électriques.
Lors des tests on a pu constater que les diodes présentaient deux types de
comportement électrique que l’on notera B1 et B2 (Fig. 1–1).
2
-3
10
-4
-2
-2
Densité de courant (A.cm )
10
Densité de courant (A.cm )
10
1
10
0
10
-1
10
-2
10
-3
10
-4
10
-5
10
-6
10
-7
10
-8
10
-9
10
-10
10
0,0
Catégorie B1
Catégorie B2
Catégorie B1 trés résistive
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
Tension (V)
3,5
4,0
4,5
5,0
-5
10
-6
10
-7
10
-8
10
-9
10
-10
10
Catégorie B1
Catégorie B2
Catégorie B1 trés résistive
-500 -450 -400 -350 -300 -250 -200 -150 -100 -50
Tension (V)
0
Fig. 1–1: Caractéristiques électriques typiques des diodes D1 à 300 K (lot JTE98).
Sur les caractéristiques directes des diodes de la catégorie B1 on relève un seuil
moyen de 1,6 V. La zone d’idéalité (Jd α exp(qVd /nkT)) s’étend sur 4 décades avec un
facteur n proche de 2 significatif d’un courant de recombinaison. L’inflexion de la
courbe apparaît de manière précoce pour Jd ≈ 10-2 A/cm 2 avant d’atteindre une densité
de courant sous 5 V dans la gamme [10, 100 ] A/cm2 . Sous polarisation inverse le
courant reste noyé dans le bruit de mesure ou reste faible Jr < 10 -6 A/cm2 sous 100 V.
Pour les caractéristiques B2 directes la tension de seuil est variable de 0,5 à 1,5 V, on
observe une première croissance du courant sans dépendance exponentielle ni palier
nets, jusqu'à rejoindre une caractéristique de type B1 pour Jd ≥ 10 -4 A/cm2 . Le courant
inverse est mesurable dès les faibles valeurs de polarisations, dans la gamme [10-6 , 10 -5 ]
2
A/cm sous 100 V.
87
CHAPITRE 3
Caractérisation de la tenue en tension de diodes bipolaires planes 1,5 kV en SiC-6H.
La majorité des D1 de type JTE98C se placent dans la catégorie B2. Les diodes
JTE98D ont de manière générale un comportement de type B1 mais très résistif limitant
le courant pour V > 2,5 V (Fig. 1–1), surtout si elles se situent en bordure de plaquette.
Ceci est très probablement lié au profil de l’aluminium implanté que nous avons
observé par analyses SIMS à différents endroits sur la plaquette. L’allure de ce profil est
très différente de celle du profil théorique ainsi que de celle du profil obtenu à l’aide du
simulateur I2SiC (Fig. 1–2). Ces analyses mettent en évidence la disparité de la
"gravure" des zones P+ résultant du recuit post-implantation de type F3 selon qu’elles se
situent en périphérie ou vers le centre. On constate aussi une différence entre les profils
des émetteurs des JTE98C et ceux des JTE98D : la consommation de SiC est plus sévère
10
21
10
20
10
19
10
18
10
17
10
16
10
15
Profil Simulé
Profil avant recuit
JTE98D bord plaquette
JTE98C bord plaquette
JTE98C centre plaquette
Profil théorique
-3
Concentration d'aluminium (cm )
dans le second cas.
0,0
0,1
0,2
0,3 0,4 0,5 0,6
Profondeur en µm
0,7
0,8
0,9
Fig. 1–2 : Profils SIMS d’aluminium après recuit F3 à différents endroits sur la
plaquette (lot JTE98).
Sur les courbes relevées sous polarisation directe pour des températures allant
de 300 K à 548 K on constate une augmentation du courant avec la température (Fig. 1–
3). Le coefficient d’idéalité n, n’évolue pas et reste proche de 2. La résistance série
dynamique diminue quand la température augmente (34 mΩ.cm2 à 300 K et 9 mΩ.cm 2 à
548 K). A partir de T = 348 K un courant de fuite apparaît pour les faibles polarisations
directes. Le courant inverse quant à lui sort totalement du bruit de mesure pour T= 400
K pour atteindre 5×10-4 A/cm² sous 100 V quand T = 548 K.
88
CHAPITRE 3
Caractérisation de la tenue en tension de diodes bipolaires planes 1,5 kV en SiC-6H.
-3
10
T = 548 K
∆ T = 25 K
-4
10
-2
Densite de courant (A.cm )
-2
Densite de courant (A.cm )
3
10
2
10
1
10
0
10
-1
10
-2
10
-3
10
-4
10
-5
10
-6
10
-7
10
-8
10
-9
10
-10
10
Température (K)
300
323
348
373
398
423
448
473
498
523
548
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0
Tension (V)
-5
10
-6
10
-7
10
-8
10
T = 300 K
-9
10
-10
10
-100 -90
-80
-70
-60 -50 -40
Tension (V)
-30
-20
-10
0
Fig. 1–3 : Caractéristiques directes et inverses en température d’une D1 de type B1
(lot JTE98).
b) Tension de claquage.
Les tests ont été effectués sur des diodes ne présentant pas de courant de fuite
excessif à 300 K, dans l’air puis dans une huile silicone dont la rigidité diélectrique est
supérieure à celle de l'air (150 kV/cm). Le claquage des dispositifs dans l’air se
manifeste de manière générale par la visualisation d’un flash lumineux accompagné d’un
grésillement donnant lieu à la destruction de la diode et à un noircissement du pourtour
de l’émetteur. Pour quelques diodes le claquage est accompagné de l’apparition d’un
point blanc lumineux en bord de P+ dont l’intensité varie avec le niveau du courant. Lors
des tests dans l’huile le comportement observé est différent. Un arc électrique se forme
entre la pointe de test et la périphérie de la jonction. A noter que les diodes ne sont pas
dégradées après le test dans l’huile. Le Tableau 1–1 présente les valeurs des tenues en
tension obtenues.
Conditions de test
Diode
VBR
JTE98D
VBR
JTE98C
Dans l’huile à 300 K
D1
700 V
750 V
850 V
1200 V
Dans l’air à 300 K
D1
650 V
700 V
900 V
1100 V
1090 V
1100 V
1140 V
Tableau 1–1 : Valeurs des tensions de claquage testées dans l'air à 300 K et dans
l’huile (lot JTE98).
Ce tableau témoigne tout d'abord d'une bonne homogénéité des résultats entre
les diodes D1, surtout pour la demi-plaquette de type JTE98C, pour laquelle les tenues
89
CHAPITRE 3
Caractérisation de la tenue en tension de diodes bipolaires planes 1,5 kV en SiC-6H.
en tension obtenues sont groupées dans la gamme [1090 V, 1140 V]. La gamme de
tensions obtenue pour les JTE98D est plus étendue, commençant à 650 V seule une ou
deux diodes ont une tension de claquage supérieure à 1000 V.
Il apparaît clairement que les diodes D1 claquent pour des tensions inverses
appliquées supérieures à la valeur prévue théoriquement (400 V environ). Le dopage de
la couche épitaxiée N (Fig. 1–5) qui a été extrait de mesures C(V) réalisées sur des
Schottky S1 (Fig. 1–4), correspond à la valeur donnée par le fournisseur
(Nd = 3,2×1015 cm -3). L’écart constaté entre la valeur théorique et les valeurs
expérimentales ne peut provenir uniquement des incertitudes sur les paramètres des
calculs, tels que l’épaisseur de l'épitaxie, voire les coefficients d'ionisation. Les profils
d'aluminium expérimentaux, que nous avons vus très différents du profil théorique
considéré (Fig. 1–2), jouent certainement un rôle important sur la répartition du champ
électrique en périphérie de la jonction.
3,5
4,5
4,0
3,0
2,0
2,5
2,0
1,5
24
2
C (pF)
-2
3,0
1/C (10 F )
3,5
2,5
1,5
1,0
1,0
0,5
0,5
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
0,0
VR (V)
-3
Dopage de la couche épitaxiée n (cm )
Fig. 1–4 : Variation de la capacité d’une Schottky S1 et de 1/C 2 en fonction de la
tension de polarisation à 300 K (lot JTE98).
10
16
15
3x10
10
15
0,5
1,0
1,5
2,0
W (µm)
2,5
3,0
3,5
Fig. 1–5 : Profil de dopage de la couche N extrait des mesures C(V) à 300 K (lot
JTE98).
90
CHAPITRE 3
Caractérisation de la tenue en tension de diodes bipolaires planes 1,5 kV en SiC-6H.
La technique OBIC n’est pas uniquement employée pour étudier le phénomène
de multiplication par avalanche. Comme pour le silicium, cette méthode de
caractérisation est surtout utilisée pour détecter et identifier les phénomènes contribuant
à l’évolution de la tenue en tension des dispositifs de puissance. Plusieurs auteurs ont pu
ainsi déterminer la répartition et l’influence des charges en surface sur le profil du
champ électrique en périphérie de diodes Schottky ou bipolaires [Frischholtz’93],
[Rottner’96], en étudiant les variations du photocourant et l’étalement de la zone de
charge d’espace. A l’aide de ces mesures on peut facilement localiser le claquage des
composants qui est identifiable par un pic de photocourant du à une multiplication locale
des porteurs sous l’effet d’un champ électrique important [Stengl’87].
Nous nous proposons donc d’étudier à l’aide du banc de mesures OBIC (voir
CHAPITRE 2 § 1) la répartition du champ électrique en périphérie de diodes sans JTE.
1.2.2. Mesures & Simulations OBIC.
Des mesures effectuées sur des diodes de catégorie B1, on a pu dégager deux
comportements bien distincts. La figure suivante (Fig. 1–6 a) présente le signal OBIC
mesuré le long d’un demi-diamètre d’une diode D1 peu résistive. Un photocourant est
induit quand le faisceau U.V. balaie la région de l’émetteur non recouvert par le métal.
Ce signal augmente avec la tension (V ≥ - 250 V) et sature quand la couche épitaxiée est
totalement désertée (V = - 280 V). L’observation d’un fort signal OBIC, décalé de 10 à
15 µm par rapport à la terminaison théorique de la jonction, est révélatrice de la
présence d’un pic de champ électrique qui induit une multiplication locale des porteurs
(essentiellement des trous) [Strengl’87]. Lorsque les porteurs ne sont pas générés dans la
zone de charge d’espace le courant décroît de manière exponentielle en fonction de la
longueur de diffusion. La valeur de la longueur de diffusion des trous extraite des
mesures du photocourant est de 8 à 9 µm. Connaissant la relation liant la longueur de
diffusion des trous (LP) à leur durée de vie (τP) : L p =
µ P kT
⋅ τp et en supposant leur
q
mobilité µp = 140 cm² V-1 s-1 (la mobilité horizontale des porteurs est environ deux fois
supérieure à la verticale) on peut ainsi déduire la valeur de la durée de vie des trous :
τp = 2×10-7 s.
91
8,0
7,5
7,0
6,5 Bord du contact
6,0
5,5
5,0
4,5
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
60
70
80
V = -400
V = -300
V = -200
V = -100
V=0V
V
V
V
V
Terminaison théorique
de l'émetteur
90
100 110
x (µm)
(a)
120
130
140
Signal OBIC (nA)
Signal OBIC (nA)
CHAPITRE 3
Caractérisation de la tenue en tension de diodes bipolaires planes 1,5 kV en SiC-6H.
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1 Bord du contact
0
60
70
80
90
V = -510 V
V = -400 V
V = -200 V
V = -100 V
V=0V
Terminaison théorique
de l'émetteur
100
x (µm)
110
120
130
140
(b)
Fig. 1–6 : Mesures OBIC à différentes tensions de polarisation, (a) sur une diode D1a
peu résistive avec λ = 333,6 nm, (b) sur D1b très résistive avec λ = 351,1 nm.
Popt = 1 W/cm² et φspot = 3,3 µm (lot JTE98).
Les courbes présentées sur la seconde figure (Fig. 1–6 b) sont représentatives
des mesures OBIC réalisées sur des diodes très résistives. On observe bien le
photocourant qui augmente et sature avec la tension lorsqu’on balaie la surface de la
diode. Mais contrairement au cas précédent, pour des tensions jusqu’à 510 V aucune
surintensité n’est encore décelée en périphérie de la jonction. Ceci implique une
répartition différente du champ électrique pour ces deux catégories de diodes.
Le constat est le même lorsque l’on compare les courbes obtenues en simulant
l’éclairement de deux diodes distinctes (Fig. 1–7a et Fig. 1–7b) dont le profil d’émetteur
est différent (Tableau 1–2). Pour la simulation b, le pic de champ apparaît à l’extrémité
de la zone P+ pour V ≥ 500 V alors que pour la diode ayant un profil de jonction
théorique, on visualise la multiplication des porteurs dès que V ≥ 300 V. Les modèles et
paramètres utilisés pour les simulations sont rappelés dans l’annexe B. D’après les
courbes obtenues en simulation (Fig. 1–7a) on trouve une longueur de diffusion pour les
trous (LP) de 4 à 5 µm ce qui est en accord avec les valeurs prises pour la mobilité (le
logiciel ISE ne permettant pas de prendre en compte l’anisotropie de la mobilité la
valeur choisie est celle de la mobilité verticale µp = 70 cm² V-1 s -1 ) et la durée de vie
(τp = 10-7s).
92
CHAPITRE 3
Caractérisation de la tenue en tension de diodes bipolaires planes 1,5 kV en SiC-6H.
Profil émetteur (voir Fig. 1–2)
λ (nm)
Popt (W/cm²)
Simulation a
Profil théorique
351,1
1
Simulation b
Profil JTE98D Bord de plaquette
351,1
1
9,0
8,5
8,0
7,5
7,0
6,5 Bord du contact
6,0
5,5
5,0
4,5
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0 Terminaison théorique
0,5
de l'émetteur
0,0
60 65 70 75 80
V=0V
V = -100 V
V = -200 V
V = -300 V
V = -360 V
85 90
x (µm)
95
Signal OBIC (nA)
Signal OBIC (nA)
Tableau 1–2 : Paramètres utilisés dans les simulations a et b
100 105 110
9,0
8,5
8,0
7,5
7,0
6,5
6,0
5,5
5,0
4,5
4,0
3,5 Terminaison théorique
3,0
de l'émetteur
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5 Bord du contact
0,0
60 65 70 75 80 85 90
x (µm)
(a)
V=0V
V = -100 V
V = -200 V
V = -300 V
V = -400 V
V = -500 V
V = -600 V
95
100 105 110
(b)
Fig. 1–7: Signal OBIC simulé pour une diode D1 sous différentes tensions de
polarisation à λ = 351,1 nm,(a) avec un profil théorique pour la zone P+, (b) avec un
profil d’émetteur de type JTE98D en bord de plaquette. Popt = 1 W/cm² et φspot = 3 µm.
1.2.3. Discussion.
La répartition du champ électrique en périphérie pour une tension donnée peut
être affectée par deux causes principales qui sont :
• La présence de charges en surface,
• Un profil d’impuretés différent en périphérie.
Pour avoir un effet sur la répartition du champ électrique en périphérie la
-2
densité de charges négatives en surface doit être supérieure à 1×1011 cm . Cette quantité
de charge créerait une zone de charge d’espace en surface où l’on détecterait un signal
OBIC de quelques centaines de pA ( le courant minimum détectable par le banc de
mesures est de 20 à 30 pA ). De plus pour les simulations nous n’avons pas pris en
compte l’effet des charges de surface et nous avons obtenu des résultats comparables à
ceux acquis expérimentalement. Nous pouvons donc éliminer dans notre cas l’hypothèse
de la présence de charge en surface, pour expliquer la forte tenue en tension des
dispositifs sans JTE.
93
CHAPITRE 3
Caractérisation de la tenue en tension de diodes bipolaires planes 1,5 kV en SiC-6H.
Comme le montre la figure suivante (Fig. 1–8) issue d’une simulation de diode
dont le profil de l’émetteur est celui des JTE98C, obtenu par analyse SIMS en bord de
plaquette (voir CHAPITRE 3 § 1.2.1) et contrairement à une diode dont la jonction a un
profil théorique, une partie de la zone P+ est désertée sous forte polarisation inverse et
permet ainsi d’étaler les équipotentielles en bordure de jonction. Ceci induit un champ
électrique plus faible à l’extrémité de l’émetteur et conduit à un claquage du dispositif
pour des tensions plus élevées.
Anode
Emetteur
Fig. 1–8 : Simulation ISE de la répartition des équipotentielles pour une diode D1
avec le profil de type JTE98C en bord de plaquette à V= VBR .
Compte
tenu
des
différentes
informations
obtenues
par
les
diverses
caractérisations et simulations (Profil SIMS, tests de claquage, courbes I(V), mesures
OBIC…) il apparaît que le profil de dopage de la zone P+ en périphérie à une forte
influence sur la tenue en tension des dispositifs de puissance en SiC.
1.3. Caractérisation des diodes avec JTE.
Dans cette partie nous nous attacherons à évaluer l’influence des terminaisons
de jonctions sur les caractéristiques directes et inverses des diodes.
1.3.1. Analyse des caractéristiques directes et inverses à 300 K.
Lors des tests effectués sur toutes les diodes D2, D3, D4 et D5 de la plaquette (0
à 5 V en direct et 0 à –110 V en inverse) on retrouve outre les catégories B1 et B2
94
CHAPITRE 3
Caractérisation de la tenue en tension de diodes bipolaires planes 1,5 kV en SiC-6H.
décrites précédemment (voir CHAPITRE 3 § 1.2.1) deux autres types de comportement
que l’on nomme B3 et B4 (Fig. 1–9) :
•
Catégorie B3 :
- en direct :
tension de seuil de valeur fixe égale à 0,2 V, ou 0,6 V, ou 1 V selon les
diodes de cette catégorie, une première croissance exponentielle avec n compris entre 1
et 2, puis infléchissement de la courbe avant de rejoindre une caractéristique de type B1
pour une densité de courant variable (au plus égale à 10-1 A/cm2 ).
- en inverse : présence d’un seuil en tension en dessous duquel le courant inverse n’est
pas mesurable, puis croissance rapide du courant lorsque la polarisation inverse
augmente.
•
Catégorie B4 :
- en direct :
tension de seuil égale à 0 V (courant supérieur au bruit de mesure dès
0 V), le courant croît jusqu'à ce que la caractéristique rejoigne une caractéristique de
catégorie B1, B2 ou B3 (pour J d ≈ 10 -5 A/cm 2 ).
- en inverse : courant inverse relativement important dès les très faibles polarisations
inverses dans la gamme [10-4 , 10-3 ] en A/cm 2 à –100 V.
On notera que dans chaque catégorie il existe des diodes très résistives.
L’existence de la terminaison de jonction semble éviter la présence du courant en excès
observé sur les diodes de catégorie B2.
-2
-2
Densité de courant (A.cm )
Densité de courant (A.cm )
2
10
1
10
0
10
-1
10
-2
10
-3
10
-4
10
-5
10
-6
Catégorie B1
10
-7
Catégorie B2
10
Catégorie B3
-8
10
Catégorie B4
-9
10
-10
10
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0
Tension (V)
10
-2
10
-3
10
-4
10
-5
10
-6
10
-7
10
-8
Catégorie B1
Catégorie B2
Catégorie B3
Catégorie B4
-100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10
Tension (V)
0
Fig. 1–9 : Caractéristiques directes et inverses des différentes catégories de diodes
JTE98C et JTE98D à 300 K.
Les diodes D2 (JTE contactée par la métallisation), qu’elles soient de type
JTE98C ou JTE98D, ont les mêmes allures de caractéristiques (Fig. 1–10) et montrent
95
CHAPITRE 3
Caractérisation de la tenue en tension de diodes bipolaires planes 1,5 kV en SiC-6H.
un comportement différent de ceux mentionnés auparavant. La croissance du courant
présente une pente unique sur 7 à 8 décades avec un coefficient d’idéalité proche de 1
significatif d’une prédominance du courant de diffusion. Ce courant est dû à la
contribution de la jonction PN (JTE) dont la réalisation semble avoir créé moins de
défauts que la formation de la jonction P+ N dans le SiC [Troffer’97]. En inverse, on
observe un seuil compris entre – 5 V et – 40 V à partir duquel le courant émerge du bruit
de mesure et croît rapidement avec la tension. Comme nous le verrons ensuite, cette
tension correspond à la désertion totale des JTE.
10
-3
10
-4
10
-5
10
-6
10
-7
10
-8
10
-9
D2-JTE98D
D2-JTE98C
-2
-2
Densite de courant (A.cm )
Densité de courant (A.cm )
2
10
1
10
0
10
-1
10
-2
10
-3
10
-4
10
-5
10
-6
10
-7
10
-8
10
-9
10
-10
10
D2-JTE98D
D2-JTE98C
-10
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0
Tension (V)
10
-100 -90
-80 -70
-60 -50 -40
Tension (V)
-30 -20
-10
0
Fig. 1–10 : Caractéristiques I(V) en direct et en inverse de diodes D2 à 300 K (lot
JTE98).
Cette participation de la jonction PN à la conduction est également observée sur
les caractéristiques directes à 300 K des diodes JTE98C avec poches non métallisées de
catégorie B1, qui présentent 4 zones distinctes (Fig. 1–11).
2
-2
Densite de courant (A.cm )
10
1
10
0
10
-1
10
-2
10
-3
10
-4
10
-5
10
-6
10
-7
10
-8
10
-9
10
-10
10
D1-JTE98C
D2-JTE98C
D5-JTE98C
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0
Tension (V)
Fig. 1–11 : Comparaison des caractéristiques I(V) des diodes D1, D2 et D5 de type
JTE98C (lot JTE98).
Ce phénomène avait déjà été constaté sur des études précédentes [Ortolland’97].
Pour la plupart des diodes sous faible polarisation le courant reste noyé dans le bruit. On
96
CHAPITRE 3
Caractérisation de la tenue en tension de diodes bipolaires planes 1,5 kV en SiC-6H.
voit par la suite apparaître une double pente dans la zone de variation exponentielle du
courant. La première pente s’étend sur 3 à 4 décades avec un coefficient d’idéalité n
s’approchant de 1 (comportement similaire aux caractéristiques des diodes D2) et la
seconde plus étroite sur 1 à 2 décades dont le coefficient n ≥ 2 (comparable aux D1). Les
valeurs relevées de la résistance série dynamique (27 mΩ.cm2 à 80 mΩ.cm 2 ) sont
largement supérieures à celle de la base N (10 mΩ.cm2), on peut donc penser que les
résistances de contact et celles des couches P+ ne sont pas négligeables. La JTE ne
semble pas avoir d’influence sur la résistance série.
Les caractéristiques relevées pour les diodes JTE98D avec JTE de catégorie B1
sont comparables à celles obtenues pour les D1, c’est à dire qu’elles ne présentent
qu’une seule pente.
1.3.2. Evolution des caractéristiques avec la température.
a) Sous polarisation directe.
Lors de l’étude en température des JTE98C de type B1 (Fig. 1–12) on retrouve
bien la double pente dans la zone d’idéalité due à la mise en parallèle de 2 jonctions
(jonction principale et la jonction JTE). Quand la température augmente le coefficient
d’idéalité de la première pente augmente et tend vers 2 (courant de recombinaison).
3
-2
Densite de courant (A.cm )
10
2
10
1
10
0
10
-1
10
-2
10
-3
10
-4
10
-5
10
-6
10
-7
10
-8
10
-9
10
-10
10
∆T = 25 K
473 K
223 K
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0
Tension (V)
Fig. 1–12 : Caractéristiques courant tension en direct à différentes températures pour
une diode de la catégorie JTE98C.
Pour les diodes JTE98D les caractéristiques (Fig. 1–13) sont comparables à
celles obtenues pour les diodes D1. Comme on l’a remarqué précédemment, (voir
CHAPITRE 3 § 1.2.1) les profils d’aluminium des JTE98C et JTE98D sont quelque peu
97
CHAPITRE 3
Caractérisation de la tenue en tension de diodes bipolaires planes 1,5 kV en SiC-6H.
différents. Il semblerait donc que les couches P+ des diodes de type JTE98D ne
permettent pas de voir la contribution de la JTE sur le courant direct.
2
-2
Densite de courant (A.cm )
10
1
10
0
10
-1
10
-2
10
-3
10
-4
10
-5
10
-6
10
-7
10
-8
10
-9
10
-10
10
473 K
77 K
300 K
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0
Tension (V)
Fig. 1–13 : Caractéristiques électriques en direct de diodes avec JTE de type JTE98D
en fonction de la température.
b) Sous polarisation inverse.
Les différents types de diodes présentent deux comportements en inverse
spécifiques. Ces comportements ne sont pas liés aux catégories JTE98C et JTE98D
définies préalablement. Le premier (Fig. 1–14a), correspondant à un courant qui émerge
du bruit de mesure pour les températures supérieures à 300 K et augmente avec T pour
atteindre quelques dizaines de µA/cm2 sous 100 V à 473 K (comparable au courant
inverse des D1 sans JTE).
-2
-3
10
10
∆T = 25 K
473 K
-2
Densite de courant (A.cm )
-5
10
-6
10
-7
10
-8
10
-9
10
-4
10
-5
10
-6
∆T = 50 K
10
-7
10
-8
10
-9
10
-10
10
223 K
-11
-10
10
623 K
-3
10
-2
Densite de courant (A.cm )
-4
10
-100 -90
-80
-70
-60 -50 -40
Tension (V)
(a)
-30
-20
-10
0
10
-100 -90
-80
-70
-60 -50 -40
Tension (V)
-30
-20
-10
0
(b)
Fig. 1–14 : Caractéristiques inverses typiques de diodes avec JTE en fonction de la
température (lot JTE98).
Le second réseau de courbes (Fig. 1–14b) montre que le courant est activé pour
des températures plus élevées, il est détectable quand T > 423 K. Ce courant atteint
98
CHAPITRE 3
Caractérisation de la tenue en tension de diodes bipolaires planes 1,5 kV en SiC-6H.
quelques mA/cm² sous 100 V à T = 623 K. Le courant ne variant pas en fonction de V1/2
on ne peut donc pas l’assimiler à un courant de génération dans la ZCE. Des mesures
DLTS effectuées sur des diodes D4 de types JTE98C et JTE98D au IOFFE de Saint
Petersbourg ont permis d’identifier des niveaux de pièges pouvant être à l’origine de ce
courant (Tableau 1–3).
Centres profonds
E-E v (eV)
σp , (cm2 )
Centre - i
Centre - L
Niveau superficiel du B
Ev+0,5
Ev+0,27
Ev+0,33
4×10 -18
1×10 -17
6×10 -14
Concentration (cm-3 )
JTE98C
JTE98D
14
3,3×10
4,6×1014
9,1×1014
7,8×1014
2×1014
5,9×1014
Tableau 1–3 : Niveau d’énergie, section de capture et concentration de pièges
déterminés par mesures DLTS (lot JTE98).
Une partie des diodes caractérisées (23 %) présentent un comportement de type
B3. La figure suivante (Fig. 1–15 a) présente les caractéristiques en fonction de la
température d’une diode de catégorie B3. L’allure des courbes obtenues à température
ambiante laisse envisager qu’une diode Schottky parasite en parallèle avec la jonction
-2
Densite de courant (A.cm )
-2
Densite de courant (A.cm )
3
10
2
10
1
10
0
10
-1
10
-2
10
-3
10
-4
10
-5
10
-6
10
-7
10
-8
10
-9
10
-10
10
-11
10
Température (K)
223
273
300
323
373
423
473
523
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0
Tension (V)
10
-1
10
-2
10
-3
10
-4
10
-5
10
-6
10
-7
10
-8
10
-9
10
-10
Température (K)
223
273
300
322
373
423
473
523
P+ N, contribue à la conduction.
-100
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
Tension (V)
(a)
(b)
Fig. 1–15 : Caractéristiques directes et inverses d’une diode D3 de catégorie B3 en
fonction de la température (lot JTE98).
A T = 223 K, à partir d’un seuil de 0,3 V une première croissance exponentielle
du courant apparaît dont le coefficient d’idéalité est égal à 1. Lorsque la température
augmente, le seuil en tension tend à disparaître et la zone d’idéalité diminue fortement.
On observe un point (Vd = 0,7 V – J d = 10-2 A/cm²) où toutes les courbes se rejoignent
avant de se croiser. En effet on remarque que le courant tend à saturer à partir de ce
99
CHAPITRE 3
Caractérisation de la tenue en tension de diodes bipolaires planes 1,5 kV en SiC-6H.
point et décroît lorsque la température augmente. Les courbes se coupent une dernière
fois (Vd =1,8 V – J d = 10 -1 A/cm²) avant de rejoindre un comportement d’une diode de
catégorie B1. Une Schottky S1 dont on a relevé les caractéristiques directes (Fig. 1–
16a), affiche la même évolution en température que la première partie des courbes de la
diode de type B3.
Sous polarisation inverse (Fig. 1–15b) pour T = 223 K le courant augmente
rapidement avec la tension sans dépendance particulière et ceci après avoir émergé du
bruit de mesure pour une tension de 20 V. Ce seuil de tension disparaît avec la montée
en température. Bien que le niveau de courant soit plus important et que le seuil en
tension soit plus faible pour la Schottky (Fig. 1–16b), l’allure des courbes reste
comparable.
-2
-2
Densite de courant (A.cm )
Densite de courant (A.cm )
3
10
2
10
1
10
0
10
-1
10
-2
10
-3
10
-4
10
-5
10
-6
10
-7
10
-8
10
-9
10
-10
10
Temperature (K)
223
273
300
322
373
423
473
523
10
1
10
0
10
-1
10
-2
10
-3
10
-4
10
-5
10
-6
10
-7
10
-8
10
-9
10
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
Tension (V)
2,5
3,0
Température (K)
223
273
300
322
373
423
473
523
-10
-100
-90
-80
-70
-60
(a)
-50
-40
-30
-20
-10
0
Tension (V)
(b)
Fig. 1–16 : Caractéristiques directes et inverses d’une Schottky S1 en fonction de la
température (lot JTE98).
Il est vraisemblable de considérer qu’une Schottky parasite (appelée Sp ) vient
perturber le fonctionnement normal de la diode bipolaire. Si on considère que la
Schottky parasite fournit la même densité de courant que S1 :
I
IS1
= J = Sp , alors en
SS1
SSp
faisant le rapport des courants mesurés on obtient le rapport de surfaces de ces deux
diodes. Dans notre cas nous trouvons que la surface de la Schottky parasite est de :
6,87×10 -7 cm² et si nous considérons que cette diode est circulaire nous obtenons un
diamètre de 10 µm ce qui peut correspondre à la taille d’un défaut structurel du
matériau. On peut envisager que ce comportement spécifique découle de la formation
d’une diode Schottky par le recouvrement d’un défaut structurel du SiC par des résidus
100
CHAPITRE 3
Caractérisation de la tenue en tension de diodes bipolaires planes 1,5 kV en SiC-6H.
de masques d’aluminium utilisés pour les étapes de photolithographie, ou de
métallisation pour la prise de contact d’anode. Des comportements analogues
(contribution d’une jonction parasite en parallèle à la jonction principale) ont déjà été
énoncés par certains auteurs [Keskar’00], [Defives’99].
1.3.3. Etude de la tenue en tension.
Les valeurs obtenues lors des tests de claquage des diodes avec JTE dans une
huile silicone ou dans l’air, sont assez dispersées et inférieures aux prévisions (Tableau
1–4).
Conditions
de tests
Diode
VBR
JTE98D
A 300 K dans l’huile
D3
900 V
950 V
1100 V
1464 V
VBR
JTE98C
D4
600 V
1720 V
D5
600 V
700 V
944 V
1200 V
A 300 K dans l’air
D3
650 V
900 V
D4
1156 V
D5
480 V
800 V
1022 V
880 V
1000 V
1100 V
1140 V
1200 V
950 V
1000 V
900 V
1080 V
1100 V
1100 V
1142 V
Tableau 1–4: Valeurs des tensions de claquages testées dans l'air à 300 K et dans
l’huile. Les résultats correspondent à des diodes de catégorie B1, ou de catégorie B3.
Comme pour les diodes D1 le claquage survient en périphérie de l’émetteur et
les meilleures performances en terme de tenue en tension sont obtenues pour des diodes
très résistives sous polarisation directe. Toutefois on constate une influence du milieu
ambiant sur la tension de claquage des dispositifs, ce qui laisse penser que les
terminaisons de jonction ont un impact sur le comportement à fortes polarisations
inverses.
Afin d’évaluer l’efficacité des poches (JTE) il est nécessaire de connaître
précisément le lieu de claquage des composants et la répartition du champ électrique
dans la structure. La technique OBIC permet d’obtenir ces informations en étudiant les
variations du signal obtenu en balayant la surface de la protection périphérique
[Rottner’97], [Frischolz’98].
101
CHAPITRE 3
Caractérisation de la tenue en tension de diodes bipolaires planes 1,5 kV en SiC-6H.
Les diodes testées en OBIC sont des D2, des D3 et des D5 de catégorie B1
(Tableau I). A partir des mesures effectuées, on peut dégager trois comportements
typiques. Les deux premiers sont décrits dans les paragraphes précédents où aucun
signal n’est détecté sur la JTE, quant au dernier on peut le visualiser sur la figure
suivante (Fig. 1–17).
-7
10
-8
Signal OBIC (A)
10
-9
10
V = -345 V
V = -300 V
V = -200 V
V = -100 V
V = -50 V
V=0V
1
-10
10
-11
10
2
Contact
Fin
Théorique
3
Fin Théorique
-12
de la JTE
10
250
200
JTE
du p
+
150
100
x (µm)
Emetteur
50
0
Fig. 1–17: Signaux OBIC expérimentaux le long d’un rayon d’une diode D3 protégée
par une JTE de longueur 120 µm, pour différentes polarisations inverses. Diamètre du
spot = 3,3 µm, longueur d’onde du faisceau = 351,1 nm (lot JTE98).
On observe 3 zones distinctes :
• la 1ère où l’on reconnaît le signal obtenu pour la zone P+
• la 2nde où le signal décroît en fonction de la distance avec l’émetteur ; dans
cette zone le signal est dû à l’extension latérale de la ZCE de la jonction P+ N
sous la JTE.
• la 3ème où l’on détecte peu de signal correspond à la ZCE due à la jonction PN.
A cet endroit si le signal est aussi faible, alors on peut penser que la JTE est
déjà totalement désertée et donc la ZCE s’étend très peu dans la couche
épitaxiée.
Les courbes montrent un pic de courant en bordure de la zone P + ce qui
implique que la JTE soit totalement déplétée. On peut déduire de ce comportement et
des valeurs de tenue en tension que la JTE n’a pas un dopage suffisant pour être
102
CHAPITRE 3
Caractérisation de la tenue en tension de diodes bipolaires planes 1,5 kV en SiC-6H.
totalement efficace. Ceci est confirmé par les mesures effectuées sur une diode D2
(diode où le métal recouvre 30 µm de JTE). A 0 V aucun signal n’est détectable, par
contre dès les faibles polarisations (V > 5 V) des pics de courant importants émergent en
bordure de métal ce qui est significatif d’un resserrement des équipotentielles (Fig. 1–
18). La JTE est donc bien totalement désertée pour de faibles tensions de polarisation,
Signal OBIC (nA)
ce qui signifie que le dopage réel des protections est bien inférieur à celui souhaité.
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
V = -5 V
V = -10 V
V = -15 V
0
50
100 150 200 250 300 350 400 450 500
x (µm)
Fig. 1–18: Signaux OBIC expérimentaux le long d’un diamètre, pour différentes
polarisations inverses d’une diode D2. Diamètre du spot = 3,3 µm, longueur d’onde du
faisceau = 351,1 nm (lot JTE98).
La faible concentration de bore obtenue pour la JTE peut s’expliquer par une
diffusion du dopant pendant le recuit post-implantation. Cette hypothèse est confirmée
par une analyse SIMS effectuée sur un échantillon témoin d’implantation (Fig. 1–19) où
l’on retrouve un dopage de l’ordre de 1x1016 cm -3 (dopage visé = 2x1017 cm -3 ) sur une
profondeur d’au moins 1,4 µm (profondeur visée = 0,7 µm).
-3
Concentration (cm )
10
18
10
17
10
16
10
15
Profil théorique
Profil de Bore Non recuit
Profil de Bore recuit
0,00 0,15 0,30 0,45 0,60 0,75 0,90 1,05 1,20 1,35 1,50
Profondeur en µm
Fig. 1–19 : Profils SIMS du bore dans un échantillon témoin de l’implantation des
JTE du lot JTE98.
103
CHAPITRE 3
Caractérisation de la tenue en tension de diodes bipolaires planes 1,5 kV en SiC-6H.
1.4. Conclusion.
L’analyse des caractéristiques électriques directes et inverses des diodes D1 a
permis de démontrer que la disparité des profils de dopage de l’émetteur avait une
influence non négligeable sur le comportement électrique des dispositifs : diodes plus ou
moins résistives et tenue en tension supérieure à la valeur théorique. Les différents
profils d’émetteur étant liés au recuit post-implantation, on peut donc penser que cette
configuration n’est pas appropriée à la réalisation de composants de puissance en SiC.
L’effet des JTE dopées bore a été observé sur quelques dispositifs autant en direct
(meilleure conduction) que sur le comportement inverse (faible amélioration des
tensions de claquage). Cependant la diffusion du bore pendant le recuit haute
température post-implantation utilisé pour restaurer simultanément les zones d’émetteur
et de poche, est rédhibitoire. Le bore ne semble donc pas être adapté à la réalisation de
JTE performantes. Le bore est à l’heure actuelle employé pour former des jonctions P+ N
par co-implantation avec du carbone, mais il n’est plus employé comme dopants pour les
JTE.
2.
Rôle de la JTE dopée aluminium sur l’évolution de la
tension de claquage.
Nous avons vu dans le paragraphe précédent que le bore n’était pas le candidat
idéal pour réaliser des protections efficaces pour nos dispositifs. Il est donc souhaitable
d’étudier l’influence d’une autre espèce chimique (l’aluminium) sur l’efficacité des
terminaisons de jonctions et sur le comportement électrique en direct des composants.
2.1. Descriptions des dispositifs.
Une des principales différences entre les deux lots de diodes présentées dans
cette partie est la modification de la configuration du recuit post-implantation. Nous
nous appliquerons à démontrer les améliorations apportées par ce nouveau recuit sur les
comportements électriques des diodes.
104
CHAPITRE 3
Caractérisation de la tenue en tension de diodes bipolaires planes 1,5 kV en SiC-6H.
2.1.1. JTE99’F3.
La méthode de réalisation de l’émetteur P + est la même que pour les JTE98D (la
jonction principale est réalisée par 5 implantations d'aluminium, d’énergies comprises
entre 25 keV et 300 keV, et introduisant une dose cumulée de 1,75x1015 cm -2 , à 300 °C,
pour une profondeur visée de 0,5 µm en commençant par l’implantation d'énergie la plus
forte : sens énergétique décroissant). Les caractéristiques de la couche épitaxiée sont :
-3
épaisseur = 10 µm, dopage = 6x1015 cm . Les JTE sont réalisées par cinq implantations
successives d’aluminium entre 25 keV et 300 keV, avec une dose cumulée de
1 x 1013 cm -2 à 300 °C. Cette plaquette a été recuite dans les mêmes conditions que les
JTE98 (1700 °C pendant 30 mn configuration F3). Les contacts ohmiques sont réalisés
chez Siemens par dépôt de nickel en face arrière et par empilement de couches de titane
et d’aluminium en face avant le tout recouvert de 50 nm de titane.
2.1.2. JTE99’F4.
Ces diodes ont été réalisées sur une plaquette présentant les mêmes
caractéristiques que celles des JTE99’F3. Les paramètres de l’émetteur et les JTE sont
similaires à ceux du lot précèdent. Les différences notables dans le procédé de
fabrication sont :
•
La configuration du four pour le recuit post-implantation que l’on nommera
F4 [Lazar’01] (voir annexe C).
•
Les contacts ohmiques réalisés au LAMEL, la métallisation d’anode est un
empilement Al/Ti/Al et la face arrière est recouverte d’une couche de
nickel. Après le recuit des métallisations on a pu observer un étalement non
homogène de celles-ci sur l’émetteur voire sur les JTE ou sur la couche
épitaxiée suivant le type de diodes.
•
Une gravure RIE de 27 nm a été effectuée sur une partie de la plaquette
(avant métallisation) introduisant une diminution de la dose totale des
accepteurs dans les JTE.
105
CHAPITRE 3
Caractérisation de la tenue en tension de diodes bipolaires planes 1,5 kV en SiC-6H.
2.2. Comparaison des performances des JTE99’F3 et JTE99’F4.
Ces deux lots de diodes présentant peu de différences dans leur réalisation nous
nous attacherons notamment à évaluer l’impact du recuit post-implantation sur leurs
performances et surtout en terme de tenue en tension.
2.2.1. Tests électriques à 300 K.
Lors des tests toutes les diodes JTE99’F3 présentent le même type de
caractéristiques (Fig. 2-1). Sous polarisation directe la densité de courant au voisinage
de 0 V est supérieure à 10-4 A/cm -2 , puis le courant croît jusqu'à rejoindre une
caractéristique de type B3 avec tension de seuil voisine de 0,2 V. On retrouve ce courant
en excès quand le dispositif est polarisé en inverse. On reconnaît ici le comportement de
type B4 décrit dans le paragraphe précédent (voir CHAPITRE 3 § 1.3.1). Des nettoyages
chimiques de surface (de type TAA, ou HF + TAA, ou CARO) n’affectent pas ces
courants en excès.
3
10
3
2
10
2
1
10
1
0
10
0
10
10
10
10
10
Densite (A.cm )
-2
-2
-2
Densite (A.cm )
-1
10
-3
10
-4
10
-5
10
-6
10
-7
10
-8
10
-9
10
-10
10
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
Tension (V)
3.5
4.0
4.5
5.0
10
-1
10
-2
10
-3
10
-4
10
-5
10
-6
10
-7
10
-8
10
-9
10
-10
-100
-80
-60
-40
Tension (V)
-20
0
Fig. 2–1 : Caractéristiques directes et inverses des diodes JTE99’F3 à 300 K.
La figure suivante (Fig. 2–2) présente des résultats obtenus par caractérisation
OBIC sur une diode D1. Chaque courbe correspond, pour une polarisation donnée de la
diode, au photocourant mesuré en fonction de la position du spot lumineux incident. Au
centre du dispositif (position = 380 µm), le signal OBIC détecté est très faible, car la
métallisation du contact d’anode, présente à cet endroit, ne permet pas la pénétration du
faisceau U.V. dans le semi-conducteur. Une augmentation du signal lorsque le spot
balaie l’extrémité de la zone P + confirme l’existence de la zone de charge d’espace de la
106
CHAPITRE 3
Caractérisation de la tenue en tension de diodes bipolaires planes 1,5 kV en SiC-6H.
jonction P+ N. La détection d’un courant lorsque le spot est bien au-delà de cette jonction
ne correspond en revanche pas à une situation normale, et signale l’existence d’une zone
où règne un champ électrique. Cette analyse suggère l’existence de charges en surface
du semi-conducteur capables d’une part de créer une ZCE en surface et d’autre part
d’être à l’origine des courants en excès.
-9
1,8x10
V = -20 V
V = -1 V
V = -0.5 V
V=0V
V = 0.5 V
V=1V
-9
1,6x10
-9
Photocourant (A)
1,4x10
-9
1,2x10
-9
1,0x10
-10
8,0x10
-10
6,0x10
-10
4,0x10
-10
2,0x10
0,0
0
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
x (µm)
Fig. 2–2: Signaux OBIC lors d’un balayage linéaire du spot U.V. (diamètre 3,3 µm,
longueur d’onde 351 nm) au-dessus d’une diode D1 pour différentes valeurs de la
tension appliquée à ces bornes (lot JTE99’F3).
Une analyse de surface (XPS) a permis de mettre en évidence des résidus du
masque d’aluminium et de résine en surface du semi-conducteur. Cette pollution est
certainement à l’origine du courant en excès en direct et en inverse.
Une gravure RIE pleine plaque de 40 nm a été effectuée sur une partie de
plaquette, pour éliminer la cause du dysfonctionnement de ces diodes. Sur ce morceau
on retrouve alors les différents comportements typiques des JTE98 : B1, B2, B3 et B4
(Fig. 2–3). Comme pour le précèdent lot, certains composants présentent des
comportements très résistifs, ils se situent généralement en périphérie de plaquette. On
notera tout de même que la densité de courant des meilleurs dispositifs sous 5 V (10 à
40 A/cm2) est inférieure à celle obtenue pour les JTE98.
107
CHAPITRE 3
Caractérisation de la tenue en tension de diodes bipolaires planes 1,5 kV en SiC-6H.
0
2
10
10
1
-1
10
10
-2
Densite de courant (A.cm )
-2
Densite de courant (A.cm )
0
10
-1
10
-2
10
-3
10
Catégorie B1
Catégorie B2
Catégorie B3
Catégorie B4
-4
10
-5
10
-6
10
-7
10
-8
10
-3
10
-4
10
-5
10
-6
10
-7
10
-8
10
-9
10
-9
10
-10
10
Catégorie B1
Catégorie B2
Catégorie B3
Catégorie B4
-2
10
-10
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0 2,5 3,0
Tension (V)
3,5
4,0
4,5
10
5,0
-100
-90
-80
-70
-60 -50 -40
Tension (V)
-30
-20
-10
0
Fig. 2–3 : Caractéristiques en direct et en inverse des JTE99’F3 à 300 K des
différentes catégories rencontrées.
Pour les JTE99’F4 on retrouve les différentes catégories (B1, B2, B3, B4) de
comportements constatés sur les JTE99’F3 (Fig. 2–4). Il est important de remarquer
qu’aucune diode n’affiche de caractéristique très résistive contrairement au lot JTE98C,
JTE98D et JTE99’F3.
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0
-2
-2
Densite de courant (A.cm )
Catégorie B1
Catégorie B2
Catégorie B3
Catégorie B4
Densite de courant (A.cm )
2
10
1
10
0
10
-1
10
-2
10
-3
10
-4
10
-5
10
-6
10
-7
10
-8
10
-9
10
-10
10
-11
10
10
-3
10
-4
10
-5
10
-6
10
-7
10
-8
10
-9
10
-10
10
-11
Catégorie
Catégorie
Catégorie
Catégorie
-110 -100 -90
Tension (V)
-80
-70
-60
B1
B2
B3
B4
-50
-40
-30
-20
-10
0
Tension (V)
Fig. 2–4 : Caractéristiques en direct et en inverse des JTE99’F4 à 300 K des
différentes catégories rencontrées.
On peut remarquer également une bonne homogénéité des résultats obtenus, en
direct la densité de courant sous 5 Volts est dans la gamme [5, 60] A/cm². On observe
une amélioration des caractéristiques de catégorie B1. Les diodes présentent un seuil de
1,4 V, puis une dépendance de type Jd ≈ exp
qV
nkT
avec un coefficient d’idéalité n qui
évolue. Dans la gamme de courant [10-8 , 10-4 ] A/cm², n = 2, on a donc une
prédominance du courant de recombinaison. Pour Jd ≥ 10-4 A/cm² n varie de 1,8 à 1,5
suivant les diodes, le courant devient alors une combinaison de courant de diffusion
(n=1) et de courant de recombinaison (n=2). La courbe s’infléchit ensuite sous l’effet de
la résistance série pour des valeurs [10-1 , 1] A/cm², ce qui est environ une décade au108
CHAPITRE 3
Caractérisation de la tenue en tension de diodes bipolaires planes 1,5 kV en SiC-6H.
dessus par rapport au JTE99’F3. Cette amélioration semble être directement liée au
procédé de recuit post-implantation. A noter que les valeurs des Rspé extraites des
caractéristiques sont très élevées [50, 300] mΩ.cm². Une résistance de contact élevée
peut expliquer une telle limitation du courant dans la partie ohmique de la courbe. On
peut aussi penser que le régime de forte injection n’est pas encore atteint lorsque
l’infléchissement de la courbe intervient. La présence de pièges de type accepteur peut
être à l’origine de ce phénomène. On peut aussi envisager que le dopage de la couche
épitaxiée N soit en partie compensée, ce qui entraînerait une augmentation de la
résistivité de la couche et limiterait ainsi le courant. En inverse les courants de fuite sous
100 V sont de l’ordre de 10-8 A/cm² et le courant est proportionnel à l’étalement de la
ZCE dans le matériau (Jr ≈ Vr1/2).
2
-2
Densite de courant (A.cm )
10
1
10
0
10
-1
10
-2
10
-3
10
-4
10
-5
10
-6
10
-7
10
-8
10
-9
10
-10
10
-11
10
D1 type B2
D1 type B3
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0
Tension (V)
Fig. 2–5 : Caractéristiques directes à 300 K de diodes D1 JTE99’F4 des parties gravée
et non gravée de la plaquette.
Le débordement de la métallisation lors du recuit des contacts perturbe le bon
fonctionnement des diodes D1 (Schottky en parallèle avec une diode bipolaire). Les
diodes de la partie non gravée peuvent être classées dans la catégorie B2 alors que celles
gravées sont plutôt de type B3 (Fig. 2–5). La différence de comportement de ces diodes
est certainement liée à l’état de surface du SiC avant gravure et après gravure. Les
diodes D1 ne se comportent pas comme les autres diodes de la catégorie B3. La
première partie de la caractéristique présente normalement un n < 2 alors que n = 2 pour
les diodes D1 du lot JTE99’F4.
109
CHAPITRE 3
Caractérisation de la tenue en tension de diodes bipolaires planes 1,5 kV en SiC-6H.
2.2.2. Etude des courants de fuite et de la tenue en tension.
Le tableau ci-dessous présente les valeurs des tenues en tension obtenues pour
les deux lots de diodes. Les mesures ont été effectuées avec une SMU Keithley 237 ou
un traceur de caractéristiques Tektronix 370.
Milieu
ambiant
T (K)
Diode
VBR
JTE99’F3
Bord de
plaquette
Air
300
D1
Huile
silicone
300
D1
421 V
500 V
1000 V
Air
300
D2
Huile
silicone
300
D2
126 V
290 V
296 V
369 V
VBR
JTE99’F3
Centre de
plaquette
510 V
530 V
565 V
710 V
390 V
380 V
670 V
960 V
540 V
VBR
JTE99’F4 520 V
gravée 440 V
280 V
240 V
885 V
950 V
930 V
VBR
JTE99’F4
Non
gravée
Air
D3
300
D4
Huile silicone
D5
300
D3
D4
403 V 500 V
500 V
700 V
1000 V
D5
190 V
200 V
422 V
500 V
700 V
719 V
800 V
125 V 171 V 196 V
178 V 328 V 203 V
190 V
245 V
200 V
274 V
305 V
279 V
428 V
374 V
850 V 800 V 750 V
730 V
760 V
790 V
765 V 1000 V 660 V
780 V 1000 V 680 V
975 V 615 V 890 V
1000 V
1020 V
930 V
870 V
900 V 990 V 940 V 710 V 730 V 290 V
920 V 710 V 820 V 850 V
690 V
1000 V
750 V
730 V
Tableau 2–1 : Valeurs des tensions de claquage relevées dans l'air ou dans une huile
silicone à 300 K,(pour les JTE99’F4 les claquages assistés par un défaut sont notés en
italique).
Les valeurs reportées dans ce tableau attestent tout d’abord de l’absence
d’influence des JTE sur la tenue en tension des diodes du lot JTE99’F3. En effet il existe
peu ou pas de différence entre les tensions de claquage des diodes D1 et celles des
autres diodes. Par contre, une certaine efficacité des terminaisons de jonction est
observée lorsqu’on compare la tenue ne tension des diodes JTE99’F4 avec JTE avec
celle des D1 sans JTE.
Les profils de dopage des JTE obtenues par analyses SIMS peuvent expliquer
cette différence. Toutes ces diodes ont vu la même séquence d’implantations pour la
110
CHAPITRE 3
Caractérisation de la tenue en tension de diodes bipolaires planes 1,5 kV en SiC-6H.
réalisation des JTE, malgré un profil d’aluminium très différent de celui souhaité, la
-3
Concentration d'aluminium (cm )
dose totale de dopants implantés est bien celle envisagée (Fig. 2–6).
Profil simulé
Profil implanté avant recuit
18
10
17
10
16
10
15
10
14
10
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1
Profondeur (µm)
Fig. 2–6 : Comparaison du profils des JTE obtenu avec le logiciel I 2 SiC et celui
réellement implanté pour les diodes des lots JTE99’F3 ET JTE99’F4.
Après la gravure de 40 nm infligée aux diodes JTE99’F3 la dose restante est de
5,4×1012 cm -2. Comme le montre la figure suivante (Fig. 2–7) on pouvait donc s’attendre
à noter une influence des JTE sur la tenue en tension.
1800
Tension de claquage (V)
1700
1600
1500
1400
1300
1200
1100
Coefficients de Konstantinov
1000
5
7
900
α = 4*10 exp(1.67*10 /E)
800
β = 1,63*10 exp(1.67*10 /E)
700
12
1,0x10
7
12
12
13
4,0x10
7,0x10
1,0x10
1,3x10
-2
Dose totale implantée (cm )
7
13
Fig. 2–7 : Variation de VBR en fonction de la dose totale de la JTE.
111
CHAPITRE 3
Caractérisation de la tenue en tension de diodes bipolaires planes 1,5 kV en SiC-6H.
Cependant, on remarque que le profil après avoir subi un recuit dans la
configuration F3 est très différent de celui observé initialement (Fig. 2–8), la dose
restante est de 6,8×1011 cm -2 , ce qui explique la quasi totale inefficacité des protections.
18
Profil après gravure et avant recuit
Profil après gravure et recuit
-3
Concentration d'aluminium (cm )
10
17
10
16
10
15
10
14
10
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1
Profondeur (µm)
Fig. 2–8 : Analyse SIMS des profils des JTE ayant subi une gravure de 40 nm avant et
après recuit de type F3.
Il est tout de même important de noter les différences des valeurs de VBR
mesurées pour les diodes se situant en périphérie ou au centre de la plaquette du lot
JTE99’F3. Les diodes excentrées présentent de manière générale pour une polarisation
de 5 V une faible densité de courant (< 1 A/cm²) et une tenue en tension dans la gamme
[700 V - 800 V]. Alors que les autres diodes moins résistives ont des tensions de
claquage beaucoup plus faibles (300 V). Ces résultats confirment l’influence du profil
de la jonction principale sur le VBR (voir CHAPITRE 3 § 1.2)
Le recuit de type F4 n’introduisant aucune perte de SiC, cela permet donc de
conserver le profil d’aluminium initial et d’observer un effet des JTE sur la tension de
claquage des diodes JTE99’F4. Pourtant, les valeurs expérimentales relevées dans l’air
pour les diodes non gravées sont inférieures à celles prévues théoriquement (1720 V).
Lors du claquage des composants dans l’air on peut observer deux phénomènes
bien distincts. Le premier se traduit par l’apparition d’un arc entre la pointe de test et un
défaut quelconque (en surface ou en volume) situé plus ou moins loin du dispositif, ce
qui révèle un cratère dans le matériau (Fig. 2–9).
112
CHAPITRE 3
Caractérisation de la tenue en tension de diodes bipolaires planes 1,5 kV en SiC-6H.
(a)
(b)
Fig. 2–9 : Deux types de cratères observés au microscope optique après claquage dans
l’air à 300 K.(a) cratère créé par un arc entre ce point et la pointe de test, (b) cratère
où l’on observe un point lumineux blanc pendant le claquage du composant.
(a)
(b)
Fig. 2–10 : Observation au microscope à balayage électronique des trous responsables
du claquage prématuré des diodes dans l’air à 300 K, après une attaque KOH, (a)
défaut ellipsoïdal, (b) défaut circulaire.
Les diodes claquées ont subi une attaque chimique de 10 mn à 15 mn à la
potasse chauffée à 650 °C afin d’observer les cratères au microscope à balayage
électronique (MEB). Un examen précis de la surface des composants détruits ne révèle
pas la présence de micropores. Ces défauts propres au SiC se distinguent par une section
hexagonale parfaite, alors que les cratères visualisés sont soit de forme plutôt
ellipsoïdale (Fig. 2–10 a) soit parfaitement circulaire (Fig. 2–10 b). La taille des défauts
repérés sur la plaquette varie de 2 µm à 10 µm. On peut noter la présence de plusieurs
113
CHAPITRE 3
Caractérisation de la tenue en tension de diodes bipolaires planes 1,5 kV en SiC-6H.
défauts circulaires à proximité ou sur le dispositif détruit, alors qu’un seul cratère
ellipsoïdal situé aux abords du composant provoque la destruction de celui-ci. Ces
différentes imperfections provenant du SiC ou des différentes étapes de fabrication sont
surtout visibles sur les champs se situant en bordure de plaquette et occasionnent
généralement une réduction de la tenue en tension des diodes (Tableau 2–2).
La seconde manifestation du claquage visualisée est un arc entre la pointe de
test et le bord de l’émetteur (ou de métal) suivi de l’apparition d’un point blanc lorsque
le courant est important. Ceci est significatif d’un claquage localisé de la diode, dû à un
champ électrique trop important en périphérie de l’émetteur (ou du métal). Ceci
impliquerait une efficacité partielle des protections. Le claquage des dispositifs testés
dans une huile silicone se manifeste par un point blanc lumineux en périphérie de métal
ou de jonction P+ N dont l’intensité varie avec le niveau du courant. On peut remarquer
que le claquage intervient pour des tensions légèrement plus faibles que dans l’air.
2
1
10
0
10
-1
10
10
1
0
10
-2
Densite de courant (A.cm )
-2
Densite de courant (A.cm )
10
-2
10
-3
10
-4
10
-5
10
-6
10
-7
10
-8
10
D1b
D3a
D5b
D2
D4
-1
10
-2
10
-3
10
-4
10
-5
10
-6
10
-7
10
-8
10
-9
10
-1100-1000 -900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100
Tension (V)
(a)
D1
D3b
D5b
D2
-9
0
10
-1100-1000 -900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100
Tension (V)
0
(b)
Fig. 2–11 : Evolution du courant inverse des JTE99’F4 jusqu’à la tension de
claquage à 300 K (a) dans l’air (b) dans une huile silicone.
Comme nous pouvons le voir sur les caractéristiques inverses des diodes avec
JTE (D3, D4, D5) relevées lors des tests de claquage dans l’air (Fig. 2–11 a) ou dans
l’huile silicone (Fig. 2–11 b), jusqu'à 500 V environ le courant reste proportionnel à V1/2
ce qui laisse penser qu’il est initié par de la génération de porteurs dans la zone de
charge d’espace. La diode D2 dont le métal vient recouvrir une partie des poches
(30 µm) présente une autre allure de caractéristique dans cette gamme de tension. Dès
les faibles polarisations (150 V) le courant varie exponentiellement. Par la suite pour
toutes les diodes le courant augmente de manière exponentielle en fonction de la tension
114
CHAPITRE 3
Caractérisation de la tenue en tension de diodes bipolaires planes 1,5 kV en SiC-6H.
jusqu’à l’apparition du claquage. Ce seuil en tension compris entre 400 V et 600 V
suivant les composants, semble coïncider avec la tension pour laquelle les JTE sont
totalement désertées. Selon les résultats de simulations prenant en compte les profils
réels des dopants (Fig. 2–6), les JTE sont totalement désertées pour une tension
comprise dans la gamme [600 V – 700 V], donc quelque peu supérieure à la valeur
expérimentale. Ce qui tend à confirmer le mauvais fonctionnement des poches.
La technique OBIC peut nous permettre de connaître l’évolution de la ZCE en
fonction de la tension et ainsi confirmer le lieu de claquage du composant en périphérie
de l’émetteur.
2.2.3. Mesures OBIC et discussion.
a) Mesures OBIC
Les mesures obtenues sur une diode D3 (longueur de poche = 120 µm) sont
présentées sur les figures suivantes (Fig. 2–12a et Fig. 2–12b).
Vr = 500 V
Vr = 600 V
-8
-6
10
Photocourant (A)
Photocourant (A)
10
Vr = 650 V
-9
10
Vr = 0 V
-10
10
JTE
-11
10
0
P+
JTE
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600
x (µm)
(a)
-7
10
Vr = 570 V
-8
10
JTE
-9
10
0
P+
JTE
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700
x (µm)
(b)
Fig. 2–12 : Mesures OBIC le long d’un diamètre d’une diode D3b de type JTE99’F4,
(a) pour des tensions de polarisation comprises entre 0 et 500 V, (b) pour des tensions
de polarisation comprises entre 570 et 650 V. Diamètre du spot = 3,3 µm, longueur
d’onde du faisceau = 351,1 nm.
On observe tout d’abord un signal OBIC qui augmente avec la tension lorsqu’on
balaie la surface des JTE (Fig. 2–12a). Ceci confirme l’existence des poches et explique
la différence de tenue en tension entre les diodes sans JTE (D1) et les autres dispositifs.
Contrairement à ce que nous avons vu précédemment un photocourant est détecté
lorsque le faisceau U.V. est au-dessus du contact. Sur ce lot la métallisation semble être
115
CHAPITRE 3
Caractérisation de la tenue en tension de diodes bipolaires planes 1,5 kV en SiC-6H.
semi-transparente malgré les épaisseurs des couches déposées. Sous une polarisation de
500 V on voit apparaître un pic de courant à l’extrémité de la JTE, significatif d’un
resserrement des équipotentielles. La dissymétrie des courbes semble être due d’une part
à un léger désalignement des JTE et d’autre part au débordement du métal qui induisent
une répartition du champ électrique quelque peu différente. Les courbes obtenues pour
des polarisations plus fortes sont présentées sur la figure de droite (Fig. 2–12b). Sous
570 V on remarque un fort signal en périphérie des deux JTE. A cette tension les poches
ne sont pas encore totalement désertées. Pourtant on devrait détecter un signal important
en bordure de l’émetteur révélateur du resserrement des lignes de champ à son
extrémité. L’extension du métal absorbant une partie du faisceau U. V., le signal OBIC
détecté est donc plus faible et ces variations dans la zone (230 µm – 390 µm) ne
traduisent pas la répartition réelle du champ électrique à cet endroit de la structure. Sous
plus forte polarisation (600 V), on voit émerger un pic de photocourant en périphérie de
métal et disparaître le pic à l’extrémité des JTE. Ce qui indique que le champ électrique
devient plus important en bordure du contact, qu’en périphérie de la JTE. Ceci n’est
possible que si la poche est totalement désertée.
Vr = 400 V
Vr = 650 V
-7
Photocourant (A)
10
-8
10
-9
10
Vr = 100 V
-10
10
-11
10
JTE
+
P
JTE
-12
10
0
50
100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600
x (µm)
Fig. 2–13 : Signaux OBIC expérimentaux le long d’un diamètre d’une diode D2 (le
métal recouvre 30 µm de JTE) de type JTE99’F4 pour différentes tensions de
polarisation. Diamètre du spot = 3,3 µm, longueur d’onde du faisceau = 351,1 nm.
Pour la diode D2 le comportement observé (Fig. 2–13) est quelque peu
différent. Dès 400 V, un pic de signal OBIC émerge à une extrémité du métal. C’est
seulement à partir de 500 V que le photocourant augmente des deux cotés du contact. La
diode D2 ayant un recouvrement des JTE de 30 µm par la métallisation il est donc
116
CHAPITRE 3
Caractérisation de la tenue en tension de diodes bipolaires planes 1,5 kV en SiC-6H.
logique de détecter un fort champ électrique en périphérie de l’anode pour des tensions
plus faibles.
b) Discussion.
On a pu constater lors des tests électriques que les tensions de claquage des
dispositifs JTE99’F4 sont inférieures à la valeur théorique (1720 V) et que le milieu
ambiant n’avait pas d’influence. Les résultats obtenus avec la méthode OBIC tendent à
confirmer une certaine inefficacité des protections, notamment en démontrant une
déplétion précoce des terminaisons de jonction. Bien que la dose chimique totale
implantée pour réaliser les JTE soit conforme à la dose d’accepteurs déterminée par
simulation, il apparaît clairement que cette dose n’est pas suffisante pour assurer une
protection maximale.
Les incertitudes sur les paramètres utilisés en simulation ne peuvent être la
seule cause des différences observées entre les valeurs mesurées et calculées. Il apparaît
donc légitime de penser que l’activation électrique des dopants par le recuit F4 n’est pas
celle que l’on supposait (proche des 100 %). Cette hypothèse est confirmée par l’analyse
des tests réalisés sur les diodes JTE99’F4 gravées. Comme il est mentionné
précédemment une partie des composants ont subi une gravure de 27 nm induisant une
diminution de la dose totale des JTE (6,4×10 12 cm -2 ). Pourtant les tensions de claquage
(Tableau 2–1) et les caractéristiques inverses relevées sont peu différentes de celles
obtenues pour les diodes non gravées et ce quel que soit le milieu ambiant. Ceci suggère
que la dose totale implantée pour réaliser les poches n’ait qu’une faible influence sur la
tenue en tension. Si on se réfère à la courbe représentant les variations du VBR en
fonction de la dose d’accepteur de la JTE (Fig. 2–7), pour parvenir à une tension de
claquage de l’ordre de 1000 V il faut implanter une dose de 2 à 3×1012 cm -2 . Ce qui
confirme que le taux d’activation électrique des dopants est inférieure à 100 %.
Des simulations prenant en compte les spécificités des diodes du lot JTE99’F4
(profil réel implanté, débordement du métal…) ont été effectuées en faisant varier
l’activation électrique de l’aluminium (Tableau 2–2). On remarque que pour un taux
d’activation électrique de 30 % la différence entre les valeurs de tensions de claquage
théoriques des diodes gravées et non gravées est minime et coïncide avec les résultats
expérimentaux.
117
CHAPITRE 3
Caractérisation de la tenue en tension de diodes bipolaires planes 1,5 kV en SiC-6H.
VBR simulé
Activation = 100 %
VBR simulé
Activation = 50 %
VBR simulé
Activation = 30 %
VBR mesuré
JTE99’F4 non gravée
1720 V
JTE99’F4 gravée
1300 V
1220 V
996 V
990 V
840 V
950 V
900 V
Tableau 2–2 : Comparaison de la tenue en tension théorique et pratique dans l’air à
300 K pour différents taux d’activation électrique des accepteurs dans la JTE.
Cependant les incertitudes sur les valeurs des paramètres utilisées dans le
simulateur comme les coefficients d’ionisation ou le dopage et l’épaisseur de la couche
épitaxiée peuvent entraîner des erreurs non négligeables sur les résultats obtenus. On ne
peut donc pas affirmer que le taux d’activation électrique est de 30 %, mais on peut dire
qu’il est situé dans la gamme [20 % - 40 %] et qu’il est largement inférieur à celui
souhaité.
3.
Synthèse.
Les fortes valeurs expérimentales de tenue en tension des diodes JTE98C et
JTE98D sans protection périphérique (1000 V) et l’étude de la répartition du champ
électrique par la méthode OBIC dans ces structures ont permis de révéler l’influence du
profil d’émetteur sur la tension de claquage des dispositifs en carbure de silicium. Ces
résultats confortés par ceux obtenus sur le lot JTE99’F3 (diodes résistives et faible tenue
en tension des diodes avec JTE dopée aluminium), ont aussi prouvé que la configuration
de recuit nommée F3 n’est pas adaptée à la réalisation de composants de puissance
performants.
L’étude des diodes avec JTE dopées bore a permis de compléter et de confirmer
les premiers résultats obtenus au laboratoire [Ortolland’97] sur l’utilisation du bore pour
réaliser des poches. En effet la corrélation des mesures OBIC avec les faibles valeurs de
tenue en tension et les analyses SIMS ont permis de vérifier l’effet attendu d’une
diffusion incontrôlée du bore pendant le recuit post-implantation. Ce qui fait de ce
dopant un moins bon candidat que l’aluminium pour la réalisation des JTE.
L’amélioration des caractéristiques directes (zone d’idéalité s’étendant sur 8
décades) et l’effet constaté des JTE sur la tenue en tension des diodes de type JTE99’F4
118
CHAPITRE 3
Caractérisation de la tenue en tension de diodes bipolaires planes 1,5 kV en SiC-6H.
suggère un progrès dans la maîtrise du procédé de recuit post-implantation. Malgré ces
évolutions, les tensions de claquage des diodes possédant des terminaisons de jonction
restent inférieures aux valeurs prévues par simulation et surtout le claquage intervient en
périphérie de la jonction principale. L’activation électrique de l’aluminium par le recuit
de type F4 s’avère être inférieure aux prévisions. Cela ne semble pas affecter les
comportements sous polarisation directe, mais l’impact sur la tenue en tension des
dispositifs en SiC n’est pas négligeable. Il apparaît donc nécessaire pour obtenir des
composants de forte tenue en tension de réaliser des lots de diodes en tenant compte du
faible taux d’activation électrique de l’aluminium pendant le recuit de type F4 pour la
réalisation des JTE ou d’améliorer le procédé de recuit.
On a pu aussi constater que certaines étapes du procédé de fabrication étaient à
l’origine de comportements particuliers des composants. L’utilisation de masques en
aluminium lors des étapes de photolithographie semble être la cause de nombreux
dysfonctionnements (diodes de type B3, courant d’excès pour les JTE99’F3). L’emploi
de masques d’oxyde peut être une alternative intéressante pour éviter ce type de
désagrément.
119
CHAPITRE 3
Caractérisation de la tenue en tension de diodes bipolaires planes 1,5 kV en SiC-6H.
120
Etude de la tenue en tension des dispositifs de puissance en carbure de silicium par
caractérisations OBIC et électriques.
CHAPITRE 4
Etude du comportement électrique de diodes
bipolaires 5 kV en SiC-4H.
1.
CONCEPTION ET RÉALISATION DES DISPOSITIFS...................................... 123
1.1. CONCEPTION DES DIODES BIPOLAIRES AVEC L’ OUTIL MEDICI.................................... 123
1.1.1. Tension de claquage en volume. ............................................................................... 124
1.1.2. Etude de la protection périphérique. ........................................................................ 124
a) Structure étudiée et définition des paramètres utilisés. ................................................... 125
b) Influence de la dose et de la profondeur de la protection périphérique............................. 126
c) Influence de la longueur de la protection périphérique ................................................... 127
1.2. DESCRIPTION DU JEU DE MASQUES ............................................................................. 128
1.2.1. Les différents types de diodes................................................................................... 129
1.2.2. Les motifs de tests. .................................................................................................. 129
1.3. P ROCÉDÉ DE FABRICATION . ....................................................................................... 130
2.
CARACTÉRISTIQUES ÉLECTRIQUES ET ANALYSES PHYSICO-CHIMIQUES
130
2.1. COMPORTEMENTS TYPIQUES ...................................................................................... 130
2.2. ANALYSES COMPLÉMENTAIRES .................................................................................. 133
2.2.1. Mesures de la résistance de contact d’anode. ........................................................... 133
2.2.2. Mesures capacitives. ............................................................................................... 134
2.2.3. Analyses SIMS......................................................................................................... 136
a) Emetteur...................................................................................................................... 136
b) JTE. ............................................................................................................................ 137
3.
CARACTÉRISATION DE LA TENUE EN TENSION À TEMPÉRATURE
AMBIANTE....................................................................................................................... 139
3.1. INFLUENCE DU MILIEU AMBIANT................................................................................ 141
3.1.1. Tests dans une huile silicone.................................................................................... 142
3.1.2. Mesures électriques sous ambiance SF 6 en surpression. ............................................ 143
3.2. MESURES OBIC. ....................................................................................................... 145
3.3. DISCUSSION. ............................................................................................................. 148
4.
CONCLUSION DU CHAPITRE............................................................................ 149
121
Etude de la tenue en tension des dispositifs de puissance en carbure de silicium par
caractérisations OBIC et électriques.
122
Etude de la tenue en tension des dispositifs de puissance en carbure de silicium par
caractérisations OBIC et électriques.
CHAPITRE 4
Etude du comportement électrique de diodes
bipolaires 5 kV en SiC-4H.
Cette étude se place dans le cadre des recherches sur l’augmentation de la tenue
en tension des dispositifs en carbure de silicium, afin de pouvoir réaliser des
commutateurs de puissance haute tension. L’objectif visé est la réalisation de
démonstrateurs (diodes bipolaires) capables de supporter une tension de 5 kV à l’état
bloqué.
1.
Conception et réalisation des dispositifs.
La conception à l’aide de l’outil MEDICI et la réalisation des masques sous
Cadence sont le fruit de l’étude menée par Mr. Dominique PLANSON en collaboration
avec les autres membres de l’équipe.
1.1. Conception des diodes bipolaires avec l’outil MEDICI.
Il s’agit de définir par simulation les caractéristiques géométriques des couches
(épitaxiée et émetteur) et des protections périphériques (JTE) du véhicule test à réaliser
afin d’obtenir la tension de claquage souhaitée.
Les simulations de tenue en tension ont été menées en tenant compte d’une
couche d’air d’une épaisseur de 20 µm à la surface du semi-conducteur et en fixant une
densité de charge à l’interface air/SiC nulle. Signalons en particulier que les coefficients
d'ionisation par impact retenus sont ceux fournis par M. Konstantinov et al.
[Konstantinov’98] donnés dans le CHAPITRE 2 et que le critère retenu pour déterminer
la tension de claquage est celui de l’intégrale d’ionisation (quand I = 1 alors V = VBR ).
On considérera par ailleurs un taux d'activation électrique des impuretés dopantes de
100%.
123
CHAPITRE 4
Etude du comportement électrique de diodes bipolaires 5 kV en SiC-4H.
1.1.1. Tension de claquage en volume.
La simulation d’une structure unidimensionnelle P+ NN+ dont on a fait varier
l’épaisseur et le dopage de la base N, a permis de tracer un abaque de tenue en tension
(Fig. 1–1).
Tension de claquage (V)
4
103
9x103
8x10
3
7x10
3
6x10
5x10
3
4x10
3
3x10
3
2x10
3
W = 10 µm
W = 20 µm
W = 30 µm
W = 40 µm
W = 50 µm
SiC-4H [Konstantinov'98]
5
7
α = 4*10 exp(-1.67*10 /E)
7
7
β = 1.63*10 exp(-1.67*10 /E)
3
10
15
10
15
15
2x10
4x10
6x10
-3
Dopage de la couche active (cm )
15
15
8x10 10
16
Fig. 1–1 : Tenue en tension en volume de la structure P +NN+ en fonction du dopage
de la couche N, pour différentes valeurs de son épaisseur.
Les caractéristiques des couches épitaxiées commandées chez Cree Research
pour cette étude sont les suivantes :
Numéro de la
plaquette
AC0431-10
U0408-09
U0400-06
Epaisseur (µm)
Dopage (cm-3 )
40
40
40
1,2×1015
1,1×1015
1,1×1015
Tableau 1–1 : caractéristiques des couches épitaxiées SiC-4H disponibles pour la
réalisation de diodes 5 kV.
Selon les résultats de l’abaque, une structure possédant ce type de couches a une
tenue en tension de l’ordre de 6300 V.
1.1.2. Etude de la protection périphérique.
Il existe trois paramètres à optimiser pour concevoir une JTE performante :
profondeur, dopage et longueur de la poche.
124
CHAPITRE 4
Etude du comportement électrique de diodes bipolaires 5 kV en SiC-4H.
a) Structure étudiée et définition des paramètres utilisés.
La figure suivante (Fig. 1–2) présente tout d'abord la structure bidimensionnelle
étudiée, et les paramètres géométriques et technologiques nécessaires à sa description
sous MEDICI.
lanode
Anode
wpplus
implantation p+
ln u
lpi
air
dopplus
doppi
rpi
implantation p
wpi
dopepin
rpplus
dopwafe r
Type n epin
Substrat type n+ wafer
Drain
Cathode
Fig. 1–2 : définition de la structure 2D de la diode protégée par poche.
Les caractéristiques des épitaxies sont similaires, et on prendra le pire cas vis-àvis de la tension de claquage, c’est à dire le dopage maximal (1,2×10 15 cm -3 ).
Pour la jonction principale (P+ N) et la poche, nous avons intégré directement
des profils de dopage réalistes issus du simulateur I2 SiC (vérifiés par analyse SIMS)
dans le simulateur électrique MEDICI.
La figure suivante (Fig. 1–3) montre le type de résultats obtenus avec I2 SiC
pour des séquences d’implantation données dans le Tableau 1–2 et qui sont utilisées
pour les simulations. Ces profils tiennent compte d'une gravure d’épaisseur 40 nm,
effectuée en pratique (après le recuit post-implantation ionique).
125
CHAPITRE 4
Etude du comportement électrique de diodes bipolaires 5 kV en SiC-4H.
20
18
Concentration d'aluminium (cm )
10
-3
-3
Concentration d'aluminium (cm )
10
19
10
18
10
17
10
16
10
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
Profondeur (µm)
0,5
0,6
17
10
16
10
15
10
14
10
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
Profondeur (µm)
(a)
0,6
0,7
(b)
Fig. 1–3 : Profil d’aluminium implanté calculé par le logiciel I2 SiC tenant compte de
la gravure de 40 nm : (a) profil utilisé pour l’émetteur, (dose totale :1,75 × 10 15 cm -2 ,
énergie maximum : 300 keV) (b) profil utilisé pour la poche (dose totale : 1 × 1013 cm -2 ,
énergie max : 300 keV).
EMETTEUR
Energie (keV)
Dose (cm-2)
300
8×1014
190
3,9×1014
115
2,8×1014
60
1,9×1014
25
9×1013
JTE
Energie (keV)
Dose (cm-2)
300
4,56×1012
190
2,23×1012
115
1,6×1012
60
1,09×1012
25
5,24×1011
Tableau 1–2 : Caractéristiques (dose et énergie) des implantations nécessaires à la
réalisation de la JTE et de l’émetteur.
b) Influence de la dose et de la profondeur de la protection
périphérique
Afin d’étudier l’influence de la dose sur la tenue en tension, des profils de
dopage de poche ayant des doses totales dans la gamme 6x1012 cm -2 jusqu’à une dose de
1,3×1013 cm -2 ont été calculés. La dose est évaluée en intégrant le profil de dopage de la
poche sur toute la profondeur de la poche. La longueur de la poche est fixée à 200 µm
pour cette étude.
Les résultats en terme de tenue en tension en fonction de la dose dans la poche
(après implantation et gravure superficielle supposée de 40 nm) sont donnés sur la figure
suivante (Fig. 1–4) pour deux profondeurs de poche différentes.
126
CHAPITRE 4
Etude du comportement électrique de diodes bipolaires 5 kV en SiC-4H.
6500
4 µm
0.8 µm
6000
tenue en tension (V)
5500
5000
4500
4000
3500
3000
2500
12
6.0x10
8.0x10
12
1.0x10
13
1.2x10
13
1.4x10
13
-2
dose (cm )
Fig. 1–4 : Influence de la dose sur la tenue en tension - comparaison pour deux
profondeurs de la jonction Poche P/épitaxie N : 4 µm et 0,8 µm.
La valeur du maximum de la tension de claquage est légèrement supérieure
(6200 V) pour la poche plus profonde, mais le principal avantage d’avoir une profondeur
de jonction importante est que la tenue en tension est beaucoup moins sensible à la dose
implantée. Malheureusement d’un point de vue pratique, il n’est pas fréquent de pouvoir
réaliser des implantations canalisées qui nécessitent un réglage préalable de l’orientation
du faisceau d’implantation. Ces résultats montrent que la dose optimale de l'extension
latérale de jonction se situe au voisinage de 10 13 cm -2 pour la structure envisagée ici,
devant conduire à une efficacité de protection de l'ordre de 90 %.
c) Influence de la longueur de la protection périphérique
Pour le profil optimal déterminé précédemment, une variation de la longueur de
la poche est effectuée, dans une gamme allant de 40 µm à 200 µm. La dépendance de la
tenue en tension en fonction de ce paramètre montre que l'amélioration apportée par
l'allongement de la protection périphérique s'atténue fortement au-delà de 150 µm. Du
point de vue de la tenue en tension du semi-conducteur seule, il est donc inutile
d'augmenter plus la place à consacrer à la poche. D'un point de vue pratique, en absence
de couche diélectrique en surface des dispositifs, nous avons choisi d'adopter une poche
de longueur totale (y compris recouvrement avec la zone d'émetteur) de 250 µm, afin de
tenter de minimiser les problèmes de claquage dans le milieu ambiant (air).
127
CHAPITRE 4
Etude du comportement électrique de diodes bipolaires 5 kV en SiC-4H.
1.2. Description du jeu de masques.
Un nouveau jeu de masques a été conçu pour la réalisation des diodes suite aux
résultats des simulations présentées précédemment et aux lacunes (petite surface des
diodes, nombre de diodes insuffisant, manque de motifs de test…) observées lors des
tests électriques des diodes 1,5 kV.
Le jeu de masques qui a été réalisé est constitué de 5 niveaux. Le 1er niveau
permet de graver les croix d'alignement nécessaires pour les étapes de lithographie
suivantes. Ce niveau permet également de dénommer les motifs. Le 2ème niveau permet
de définir les zones à implanter de type P+ - jonction principale. Le 3ème niveau permet
de définir les zones à implanter de type P - poche latérale. Le 4ème niveau permet de
définir les métallisations sur la jonction principale (anode).
Les différents motifs sont groupés par champ. La taille du champ est de
9280 µm x 5870 µm. Un chemin de découpe est prévu entre chaque champ. Chaque
champ est lui-même composé de deux cellules séparées par un chemin de découpe,
comme le montre la figure suivante (Fig. 1–5). La distance minimale entre deux diodes
est au moins de 240 µm. Une distance minimale de 150 µm est respectée entre le bord
du chemin de découpe et les diodes.
Fig. 1–5 : Vue générale du champ répétitif composé de deux cellules
128
CHAPITRE 4
Etude du comportement électrique de diodes bipolaires 5 kV en SiC-4H.
1.2.1. Les différents types de diodes.
Sur ces masques on retrouve deux types de diodes circulaires (le diamètre de la
jonction (Φ j) varie de 250 µm à 1 mm) : les diodes sans protection périphérique et les
diodes avec JTE. Contrairement au jeu de masques précédent il existe une seule
longueur de poche pour tous les dispositifs. Signalons l’introduction d’un type de diode
rectangulaire dont le rayon de courbure aux coins de la jonction principale est de 50 µm.
Les différentes géométries sont notées dans le tableau suivant (Tableau 1–3).
Φ j (si circulaire) ou
a j x b j (si rectangulaire)
Φ métal (si circulaire) ou
amétal x bmétal (si rectangulaire)
Lp
Nombre de diodes
Cellule
(voir Fig. 1–5)
Gauche
Cellule
Droite
D1
250
Nom des diodes bipolaires
D2
D3
D4
400
1000
400
D10
400x300
200
350
950
350
250
3
250
4
250
2
2
350x250
250
4
5
2
1
2
4
Tableau 1–3 : Récapitulatif des grandeurs géométriques (en µm) des différentes
diodes bipolaires 5 kV présentes sur un même champ.
1.2.2. Les motifs de tests.
Un manque d’information sur l’influence de certaines étapes technologiques
importantes (réalisation de contact ohmique, implantation P-…) s’est fait ressentir lors
des tests électriques des diodes 1,5 kV. Sur ce jeu de masques nous avons donc conservé
les motifs de test déjà existants sur le précédent et nous avons inclus de nouvelles
structures notamment pour pouvoir évaluer la valeur de la résistance de contact d’anode
et connaître la concentration d’aluminium pour l’implantation de type P - (poche). Les
détails de ces structures et leurs intérêts sont reportés dans le tableau suivant.
129
CHAPITRE 4
Etude du comportement électrique de diodes bipolaires 5 kV en SiC-4H.
Structure
Schottky sans protection
(S1)
Motif Van der Pauw sur
implantation de type P+
Motif Van der Pauw sur
implantation de type PMotif TLM (Transmission
Line Method)
Schottky latérale sur zone P implantée
Intérêt de la structure
Obtention du dopage de la couche épitaxiée N par mesure
C(V)
Obtention de la concentration chimique d’aluminium par
analyse SIMS et évaluation du taux d’activation par
mesure d’effet Hall.
Obtention de la concentration chimique d’aluminium par
analyse SIMS et évaluation du taux d’activation par
mesure d’effet Hall.
Détermination de la résistance de contact d’anode et
évaluation de la résistance/„ de la couche P +
Obtention du dopage de la couche P- par mesure C(V)
Tableau 1–4 : Description des différents motifs de tests et de leurs utilités.
1.3. Procédé de fabrication.
Ce lot de diodes que l’on nommera JTE00’F4 a été effectué sur un substrat de
type SiC-4H dont la couche épitaxiée a une épaisseur de 40 µm et un dopage de
1,1×1015 cm -3. La jonction P + N est réalisée par cinq implantations successives de
300 keV à 25 keV pour une dose totale de 1,75×1015 cm-2 . Comme pour l’émetteur la
JTE est formée par une série d’implantations à température ambiante (300 keV à 25 keV
pour une dose visée de 1,1×1013 cm -2 ). Le tout est ensuite recuit à 1700 °C pendant 30
mn dans la configuration F4 (voir annexe C). Une couche de nickel recuite constitue le
contact face arrière. La métallisation d’anode est réalisée par des dépôts successifs
d’aluminium et de titane.
2.
Caractéristiques électriques et analyses physicochimiques
2.1. Comportements typiques.
Lors des tests préliminaires en direct (0 V à 5 V) et en inverse (0 V à –110 V) à
300 K sur un nombre conséquent de diodes, on a pu retrouver des comportements
typiques (B1, B2, B3, B4) déjà observés sur les lots précédents (Fig. 2–1).
On remarque pour les diodes de catégorie B1 un bon comportement redresseur
montrant à partir de 1,7 V une croissance exponentielle du courant sous polarisation
130
CHAPITRE 4
Etude du comportement électrique de diodes bipolaires 5 kV en SiC-4H.
directe sur neuf décades jusqu’à 1 A/cm², avec un coefficient d’idéalité (n) de 1,8. Les
densités de courant mesurées sous 5 V sont comprises dans la gamme [10 – 65] A/cm².
Sous polarisation inverse la densité de courant varie proportionnellement à la racine
carrée de la tension appliquée pour atteindre 10-9 à 10-8 A/cm² sous – 110 V. Comme
pour les JTE99’F4 (voir CHAPITRE 3§ 2.2.1), aucun comportement très résistif n’est à
signaler.
-3
10
-4
10
-2
Densité de courant (A.cm )
-2
Densite de courant (A.cm )
2
10
1
10
0
10
-1
10
-2
10
-3
10
-4
10
-5
10
-6
10
-7
10
-8
10
-9
10
-10
10
-11
10
0,0
Catégorie B1
Catégorie B2
Catégorie B3
Catégorie B4
-5
10
Catégorie B1
Catégorie B2
Catégorie B3
Catégorie B4
-6
10
-7
10
-8
10
-9
10
-10
10
-11
0,5
1,0
1,5
2,0 2,5 3,0
Tension (V)
3,5
4,0
4,5
5,0
10
-110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10
Tension (V)
0
Fig. 2–1 : Caractéristiques typiques sous polarisation directe et inverse des JTE00’F4
à 300 K.
Le tableau suivant répartit les diodes de différentes tailles selon les diverses
catégories de comportements électriques typiques. Ce tableau est dressé à partir de
l’examen de l’allure de toutes les courbes mesurées.
D1 (φ
φ = 250 µm)
Nbre diodes : 44
D2 (φ
φ = 400 µm)
Nbre diodes : 35
D10 (axb = 300x400 µm²)
Nbre diodes : 46
D3 (φ
φ = 1000 µm)
Nbre diodes : 17
D4 (φ
φ = 400 µm) Sans JTE
Nbre diodes : 22
Total :
Nbre diodes : 163
Catégorie Catégorie Catégorie Catégorie
B1
B2
B3
B4
79 %
9%
8%
4%
69 %
11 %
11 %
9%
57 %
17 %
15 %
11 %
24 %
17 %
41 %
18 %
41 %
27 %
14 %
18 %
61 %
16 %
13 %
16 %
Tableau 2–1 : Nombre total des diodes bipolaires JTE00’F4 testées et leur classement
selon les différentes catégories de comportements électriques typiques observés
(présentés sur la Fig. 2–1).
131
CHAPITRE 4
Etude du comportement électrique de diodes bipolaires 5 kV en SiC-4H.
De ces statistiques on peut noter plusieurs indications non négligeables. On
remarque tout d’abord, que l’absence de JTE semble favoriser un comportement de type
B2. Un grand nombre de diodes D4 (27 %) sont classées dans la catégorie B2 alors que
le pourcentage de diodes avec poches de type B2 est inférieur à 20. Il apparaît que le
nombre de diodes ayant une caractéristique d’allure B3 augmente lorsque les dispositifs
sont de plus grande taille. C’est flagrant pour les diodes D3, 41 % de celles-ci sont
rangées dans la catégorie B3. Rappelons que nous avons attribué l’origine des
surcourants à faible tension directe des diodes de catégorie B3 à l’existence de défauts
se comportant comme une Schottky en parallèle avec la jonction principale. Cette
tendance s’observe aussi pour les diodes de type B4, mais de manière plus nuancée (4 %
de diodes D1 sont de type B4 contre 18 % pour les diodes D3). L’observation au
microscope optique des différentes diodes a permis de révéler qu’un certain nombre de
diodes appartenant à la catégorie B4 présentent des lésions de l’émetteur (Fig. 2–2). Ces
défauts sont apparus après le recuit post-implantation. Il semble que ces fissures se
propagent le long des axes cristallographiques. Des contraintes mécaniques ou des
défauts préalablement existants dans le matériau peuvent être à l’origine de ces fêlures.
Fig. 2–2 : Observation au microscope optique d’une diode D2 après recuit et avant
métallisation, présentant des fissures se propageant le long des axes
cristallographiques (lot JTE00’F4).
Les enseignements majeurs à retirer de l’étude de ce tableau sont :
•
La qualité du matériau (diode de type B3 et B4) est souvent à l’origine du
dysfonctionnement des dispositifs. Elle freine notamment le développement
des composants de grande taille.
132
CHAPITRE 4
Etude du comportement électrique de diodes bipolaires 5 kV en SiC-4H.
•
Un rendement très proche de celui du lot JTE99’F4 pour les diodes de petite
surface ce qui suppose une bonne reproductibilité dans le procédé de
fabrication et plus particulièrement du recuit post-implantation ionique.
2.2. Analyses complémentaires.
Comme il est mentionné dans un des paragraphes précédents il existe un certain
nombre de motifs de tests permettant de vérifier certains paramètres technologiques
(dopage, résistance de contact…). Ces résultats peuvent permettre de corréler des
comportements spécifiques aux différentes étapes technologiques réalisées pendant la
fabrication des dispositifs.
2.2.1. Mesures de la résistance de contact d’anode.
La résistance du contact ohmique d’anode est extraite de mesures courant
tension sur des motifs TLM. Cette structure n’est présente que sur la moitié des cellules
de la plaquette. La méthode utilisée consiste à mesurer le courant en fonction de la
tension de polarisation entre deux plots successifs dont la distance d’espacement varie
de 5 à 55 µm (par pas de 10 µm). Si le contact est ohmique alors le courant varie
linéairement en fonction de la tension de polarisation. On peut donc modéliser les deux
contacts ainsi que la couche p+ par des résistances (Fig. 2–3).
Fig. 2–3 : Modélisation des contacts et de la couche P+ par des résistances.
Le courant mesuré peut donc s’exprimer sous la forme suivante :
I=
V
V
=
R 2 RC + RP+
(51)
Lorsque la distance entre les plots de contact se réduit alors la résistance totale
diminue car la résistance de la couche P + décroît. Des variations de R en fonction de d,
la distance inter-contact (Fig. 2–4), on déduit les valeurs de la résistance de contact RC ,
133
CHAPITRE 4
Etude du comportement électrique de diodes bipolaires 5 kV en SiC-4H.
de la résistance spécifique du contact RSpéC et de la résistance par carré de la couche P+
implantée Rsh [Schroder’90].
Les valeurs des résistances spécifiques du contact d’anode extraites des mesures
(effectuées en collaboration avec M. Lazar) sur les différents motifs de la plaquette sont
comprises dans la gamme [0,3-1,9] mΩ.cm². Compte tenu des métaux utilisés et du
recuit réalisé, ces valeurs sont en accord avec l’état de l’art sur SiC [Nakashima’00],
[Luo’00], [Porter’95]. Il apparaît également que l’émetteur a une influence sur la qualité
du contact ohmique. Lorsque la résistance par carré de la couche P+ est élevée
(Rsh ≈ 15 kΩ/„) alors le contact est de moins bonne qualité (RSpéC ≥ 1×10 -3 Ω.cm²).
Signalons que l’on observe ce phénomène sur les motifs se situant plutôt au centre de la
plaquette. Une activation électrique des dopants différentes au bord et au centre de la
plaquette, peut être une cause de ce résultat. Dans ce cas, une inhomogénéité en terme
d’activation électrique des dopants devrait avoir une influence sur l’efficacité des JTE et
donc sur les valeurs de tenue en tension relevées au centre ou en bordure de plaquette.
L’obtention de la cartographie complète de VBR (en testant toutes les diodes de la
plaquette) sera donc un complément d’information intéressant.
7000
R mesurée
R mesurée
R fit
6000
5000
R (Ω )
4000
3000
2000
2RC
2RC = 513 Ω
2LT = 4.65 µm
ρC = RC.LT.L = 5.96e-4 Ω.cm²
Rsh = b.L = 11000 Ω/
1000
0
2LT
-1000
-15 -10 -5 0
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
distance inter plot, d (µm)
Fig. 2–4 : Variation de la résistance totale (R P+ + 2R C ) à 300 K en fonction de la
distance inter plots du motif TLM (lot JTE00’F4)
2.2.2. Mesures capacitives.
La technique utilisée est la technique classique par C-V, qui consiste à mesurer
l’évolution de la capacité d’une jonction en fonction de la polarisation inverse qui lui est
134
CHAPITRE 4
Etude du comportement électrique de diodes bipolaires 5 kV en SiC-4H.
appliquée. Le dopage moyen est extrait à partir de la pente de la courbe 1/C2 (V). Afin
d’évaluer le dopage net de l’épitaxie de type N, nous avons caractérisé des contacts
métalliques déposés à même l’épitaxie formant une barrière de type Schottky avec le
semi-conducteur SiC.
0,35
12
0,30
10
6
0,15
4
0,10
2
0,05
0
-40
-30
-20
-10
0
-2
24
0,20
2
C (pF)
8
1/C (10 F )
0,25
0,00
VR (V)
Fig. 2–5 : Caractéristiques C(V) et 1/C²(V) à 23 °C et à 100 kHz d’une diode Schottky
de diamètre 400 µm (lot JTE00’F4).
Les caractéristiques C(V) et 1/C 2 (V) mesurées à 23 °C et à 100 kHz sont
présentées sur la figure ci-dessus (Fig. 2–5). Le profil de dopage qui en est extrait
jusqu’à une profondeur de l’épitaxie de 6 µm est représenté ci-dessous (Fig. 2–6).
15
-3
Dopage de la couche n (cm )
2x10
10
15
9x10
14
1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5
W (µm)
Fig. 2–6 : Profil de dopage net de l’épitaxie (épaisseur totale : 40 µm) extrait de
mesures capacitives d’une Schottky S1 à température ambiante (lot JTE00’F4).
Nous avons pu observer un bon accord entre nos résultats (pour les premiers µm
à partir de la surface de l’épitaxie) et la valeur spécifiée, à la livraison, par le fournisseur
135
CHAPITRE 4
Etude du comportement électrique de diodes bipolaires 5 kV en SiC-4H.
des plaquettes. Une légère augmentation du dopage en fonction de la profondeur est
néanmoins à noter.
2.2.3. Analyses SIMS.
Cette série d’analyses a pour but dans un premier temps de vérifier que les
concentrations chimiques des dopants implantés et les profondeurs de jonctions sont
bien équivalentes à celles souhaitées. Dans un second temps elles permettent de
constater l’influence des différentes étapes technologiques (photolithographie, recuit
post-implantation) sur le profil des atomes d’aluminium.
a) Emetteur.
Comme on le remarque sur la figure suivante (Fig. 2–7), les différents profils
d’aluminium obtenus par analyses SIMS sur des échantillons témoins d’implantation
non recuits coïncident avec le profil calculé par le logiciel I2 SiC. On distingue même les
pics de concentration de dopants correspondant aux profondeurs des différentes énergies
10
20
10
19
10
18
10
17
10
16
10
15
-3
Concentration d'aluminium (cm )
d’implantation.
0,0
2
Profil Simulé (I SiC)
Profil SIMS
Profil SIMS
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
Profondeur (µm)
Fig. 2–7 : Comparaison du profil d’aluminium simulé avec ceux obtenus par analyses
SIMS sur des échantillons témoins d’implantation de l’émetteur (lot JTE00’F4).
Le profil d’émetteur sur la plaquette est quelque peu différent. Signalons tout
d’abord un pic conséquent de concentration de dopants en surface du semi-conducteur.
On peut aussi noter que les différents pics d’implantation n’apparaissent plus. Malgré
ces petites imperfections le profil expérimental est très proche de celui souhaité.
136
-3
Concentration d'aluminium (cm )
CHAPITRE 4
Etude du comportement électrique de diodes bipolaires 5 kV en SiC-4H.
20
10
19
10
18
10
17
10
2
Profil simulé (I SiC)
Profil SIMS
16
10
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
Profondeur (µm)
Fig. 2–8 : Profil SIMS d’aluminium de l’émetteur sur la plaquette après recuit F4 (lot
JTE00’F4).
b) JTE.
Le profil SIMS de l’échantillon témoin d’implantation non recuit (Fig. 2–9)
présente une concentration en excès d’aluminium sur une épaisseur de 0,1 µm avant de
rejoindre le profil simulé. Il semblerait qu’une pollution de surface soit à l’origine de ce
phénomène.
10
19
-3
Concentration d'aluminium (cm )
2
Profil simulé (I SiC)
Profil SIMS
10
18
10
17
10
16
10
15
10
14
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4 0,5 0,6 0,7
Profondeur (µm)
0,8
0,9
1,0
Fig. 2–9 : Comparaison du profil d’aluminium simulé pour une JTE optimisée avec
celui obtenu par analyse SIMS d’un échantillon témoin d’implantation des poches (lot
JTE00’F4).
Les profils expérimentaux relevés à différents endroits sur la plaquette (Fig. 2–
10) présentent un pic de concentration en surface identique à celui observé sur le profil
de l’émetteur. On remarque aussi que la profondeur de jonction n’est pas celle attendue.
Il existe suivant les profils un décalage vers la surface de 0,1 µm à 0,25 µm avec le
profil simulé. Les analyses de l’échantillon témoin ayant montré que la dose implantée
est bien celle souhaitée et l’aluminium n’étant pas un dopant sujet à la diffusion dans le
137
CHAPITRE 4
Etude du comportement électrique de diodes bipolaires 5 kV en SiC-4H.
celle souhaitée et l’aluminium n’étant pas un dopant sujet à la diffusion dans le SiC
pendant le recuit post-implantation, ce décalage ne peut être dû qu’à un problème
survenu pendant les étapes de photolithographie. Une mauvaise ouverture du masque
avant l’implantation peut être à l’origine de ce retrait du profil.
21
10
-3
Concentration d'aluminium (cm )
2
Profil simulé (I SiC)
Profil SIMS
Profil SIMS
Profil SIMS
Profil SIMS
20
10
19
10
18
10
17
10
16
10
15
10
14
10
0,0
0,1 0,2
0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
Profondeur (µm)
0,9 1,0
Fig. 2–10 : Différents profils SIMS d’aluminium des JTE, obtenus à différents
endroits sur la plaquette.
Revenons maintenant à la concentration en excès d’aluminium observée en
surface de la plaquette pour l’émetteur et les JTE. Une analyse sur la plaquette d’une
zone non implantée (entre deux diodes) a permis de mettre en évidence la présence
d’aluminium en surface du SiC (Fig. 2–11). Cette concentration superficielle semble
-3
Concentration d'aluminium (cm )
correspondre à celle observée sur les profils expérimentaux précédents.
Profil SIMS
20
10
19
10
18
10
17
10
16
10
0,00
0,05
0,10
0,15 0,20 0,25
Profondeur (µm)
0,30
0,35
Fig. 2–11 : Profil SIMS d’aluminium d’une zone non implantée de la plaquette.
L’origine de la présence d’aluminium en surface du SiC reste incertaine. Elle a
pu être causée par un mauvais nettoyage de la plaquette lors des différentes étapes
138
CHAPITRE 4
Etude du comportement électrique de diodes bipolaires 5 kV en SiC-4H.
technologiques (photolithographie, réalisation des contacts). On peut aussi envisager
qu’elle provienne de l’étape de croissance de la couche épitaxiée en SiC-4H.
Si on tient compte de ce pic de concentration d’aluminium en surface alors la
dose totale des JTE varie dans la gamme [1,7×10 14 cm-2 - 3×1014 cm-2], c’est à dire 17 à
30 fois supérieure à la dose visée. Par contre en faisant abstraction de cette
surconcentration on observe une diminution de la dose de 2×1012 cm-2 à 5×1012 cm -2 par
rapport à la dose optimale (1×1013 cm -2 ), due au décalage du profil vers la surface.
Il reste à savoir si l’aluminium présent en surface est électriquement actif et
peut modifier les caractéristiques électriques des composants notamment en terme de
tenue en tension.
3.
Caractérisation de la tenue en tension à température
ambiante.
Les tests de tenue en tension ont été effectués dans un premier temps dans l’air
à température ambiante. Différentes sources de tension sont utilisées suivant la gamme
de polarisation :
•
la SMU237 pour la gamme [0 – 1100] V,
•
le traceur de caractéristiques Tektronix 370 pour la gamme [0 – 2000] V,
•
le traceur de caractéristiques Tektronix 371A pour la gamme [0 – 3000] V.
Le claquage est observé à l’aide d’une binoculaire Leica et d’un système de
visualisation comprenant une caméra mono CCD et un moniteur vidéo.
La plupart des diodes ayant une JTE se comportent de la même manière (Fig. 3–
1). Sous faible polarisation (VR < 200 V) le courant reste faible (JR < 10 -8 A/cm²) puis
on observe un changement de loi de variation avec une croissance plus rapide de J R (VR )
jusqu'à 400 V. Au-delà de cette tension le courant tend à saturer dans la gamme [10-4 –
10-3] A/cm². Vers 800 V quelques arcs commencent à apparaître entre le métal de la
diode et différents motifs tels que les motifs gravés ou métallisés situés bien au-delà de
la limite des JTE (chemin de découpe, intitulé de la diode, diodes mitoyennes). Ces arcs
s’accompagnent généralement de crépitements et provoquent une augmentation du
courant mais ne détruisent pas le dispositif. Cette deuxième partie de la caractéristique
139
CHAPITRE 4
Etude du comportement électrique de diodes bipolaires 5 kV en SiC-4H.
inverse est généralement non reproductible. Plusieurs balayages en tension conduisent à
différentes courbes, montrant généralement une augmentation du courant de fuite dans la
première partie de la courbe. On constate ensuite une diminution du courant pour une
même polarisation et des arcs qui apparaissent à des tensions variables. Des tests au-delà
de 1200 V sont impossibles dans ces conditions, les arcs devenant de plus en plus
intenses et fréquents, s’accompagnant d’un noircissement d’une partie du métal, sans
détruire pour autant la diode sous test. Il semblerait que ces phénomènes traduisent le
claquage du milieu ambiant (air) et non celui du SiC.
Des tests de tenue en tension dans différents milieux ambiants dont la rigidité
diélectrique est supérieure à celle de l’air sont donc nécessaires pour évaluer la tension
claquage des diodes avec JTE.
-2
Densite de courant (A.cm )
D1e-C2
D1e-C2
D1f-C2
D1f-C2
D1f-C2
D1f-C2
D2e-C2
D2e-C2
D2g-C2
D2g-C2
D2g-C2
D2g-C2
D1d-C2
D1d-C2
2
10
1
10
0
10
-1
10
-2
10
-3
10
-4
10
-5
10
-6
10
-7
10
-8
10
-9
10
-10
10
-1050
-900
-750
-600 -450
Tension (V)
-300
-150
0
Fig. 3–1 : Caractéristiques électriques inverses à 300 K dans l’air de diodes avec JTE
du lot JTE00’F4. Plusieurs balayages en tension sont représentés pour chaque diode.
L’ordre d’apparition dans la légende correspond à l’ordre dans lequel ont été
effectuées les mesures sur une même diode. Les mesures ont été effectuées avec la
SMU237 (lot JTE00’F4).
Pour les diodes D4 (diodes sans JTE) on retrouve bien les deux parties de la
courbe décrites précédemment (Fig. 3–2). Le claquage du dispositif intervient
généralement pour des tensions comprises entre 700 V et 1000 V. Comme pour les
140
CHAPITRE 4
Etude du comportement électrique de diodes bipolaires 5 kV en SiC-4H.
diodes avec poche, pour certains composants on observe une évolution de la
caractéristique inverse et de la tenue en tension après plusieurs mesures. On peut aussi
noter que le claquage peut être destructif. Dans tous les cas, il se manifeste par un arc
entre la pointe de test et la périphérie de l’émetteur. Les valeurs de tension de claquage
expérimentales sont assez proches de la tenue en tension théorique d’une diode D4
10
-1
10
-2
10
-3
10
-4
10
-5
10
-6
10
-7
10
-8
10
-9
10
-10
10
-11
D4c-D2
D4c-D2
D4d-D2
D4d-D2
D4a-D3
D4a-D3
D4a-E3
D4a-E3
D4c-C4
D4c-C4
D4d-C4
D4d-C4
D4d-C2
D4d-C2
-2
Densite de courant (A.cm )
(VBRTH = 950 V).
-1050
-900
-750
-600 -450
Tension (V)
-300
-150
0
Fig. 3–2 : Caractéristiques inverses à température ambiante dans l’air de diodes D4.
Deux balayages en tension sont représentés pour chaque diode. L’ordre d’apparition
dans la légende correspond à l’ordre dans lequel ont été effectuées les mesures sur
une même diode. Les mesures ont été effectuées avec la SMU237.
3.1. Influence du milieu ambiant.
Pour déterminer la tenue en tension des diodes SiC, nous avons effectué des
mesures dans deux milieux ambiants distincts. Les premières mesures sont réalisées
dans une huile silicone de type Rhodorsil 604 V 50 dont la rigidité diélectrique
minimum est de 50 kV pour un test effectué avec deux électrodes sphériques espacées
de 2,5 mm (200 kV/cm). La seconde série de tests s’effectue sous gaz SF6 en légère
surpression. La rigidité diélectrique de ce gaz est donnée en fonction de la pression et de
la distance inter-électrodes (Fig. 3–3).
141
CHAPITRE 4
Etude du comportement électrique de diodes bipolaires 5 kV en SiC-4H.
V (kV)
P (kg.cm -2)×d (mm)
Fig. 3–3 : Rigidité diélectrique du SF 6 en fonction de la pression d’utilisation et de la
distance inter-électrodes, mesurée pour des électrodes sphériques dont le diamètre est
de 5 cm.
3.1.1. Tests dans une huile silicone.
A partir de 700 V et plus généralement pour des tensions proches de 900 V on
constate une augmentation du courant (Fig. 3–4). Cet accroissement est souvent
accompagné de l’apparition de points blancs lumineux en périphérie de l’émetteur. Ces
phénomènes s’observent autant pour les dispositifs avec JTE que pour les diodes D4.
D1f-C4
D1g-C4
D1g-C4
D2f-C4
D3c-C4
D4a-C3
D10c-C3
D10d-C3
0,7
-2
Densite de courant (A.cm )
0,8
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
0
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Tension (V)
Fig. 3–4 : Caractéristiques inverses à température ambiante dans une huile silicone de
diodes JTE00’F4. Mesures réalisées avec le traceur de caractéristiques Tektronix 370.
La visualisation de ce point en bordure de la jonction est significative de la
présence d’un fort champ électrique à cet endroit. La tension à laquelle se produisent ces
phénomènes correspond à la tenue en tension d’une diode sans JTE. Aux vues de ces
142
CHAPITRE 4
Etude du comportement électrique de diodes bipolaires 5 kV en SiC-4H.
résultats il semblerait que les poches n’aient aucune influence sur la tension de claquage
des dispositifs.
3.1.2. Mesures électriques sous ambiance SF6 en surpression.
Comme pour les mesures dans l’air jusqu’à 200 V, le courant reste faible voire
noyé dans le bruit. Puis on remarque une croissance plus rapide de ce courant avant de
voir apparaître les premiers arcs entre le bord du métal et la périphérie de l’émetteur dès
450 V et plus généralement vers 700 V. Ils se manifestent sur les courbes par des
instabilités du courant inverse et de brusques augmentations. Ces arcs sont souvent
accompagnés de l’apparition de points blancs lumineux intermittents, localisés en
bordure de P+ . Le courant tend ensuite vers une valeur limite autour de 10-3 A/cm² sous
1100 V. Lors du second balayage en tension contrairement à ce qui a été observé dans
l’air, le courant n’augmente pas dans la première partie de la courbe. On remarque
ensuite une très nette diminution du courant de fuite de une à deux décades. Cependant
la densité de courant atteinte à 1100 V reste la même que pour la mesure antérieure. Ce
comportement s’applique autant aux diodes avec poches qu’à certains composants sans
JTE.
0
10
-1
10
-2
10
-3
10
-4
10
-5
10
-6
10
-7
10
-8
10
-9
10
-10
10
-11
Champ E2
D1d
D1d
D1f
D1f
D1f
D2e
D2e
D4c
D4c
-2
Densite de courant (A.cm )
10
-1050
-900
-750
-600 -450
Tension (V)
-300
-150
0
Fig. 3–5 : Caractéristiques électriques inverses de diodes JTE00’F4 à température
ambiante sous SF6 en surpression. Plusieurs balayages en tensions sont représentés
pour chaque diode. Mesures avec la SMU237.
Comme en témoignent les courbes suivantes (Fig. 3–6), à plus haute tension le
comportement est identique à celui décrit précédemment. Un maintien de la tension aux
143
CHAPITRE 4
Etude du comportement électrique de diodes bipolaires 5 kV en SiC-4H.
bornes du dispositif ou une seconde mesure permettent de voir disparaître les points
lumineux en périphérie de la jonction P + N et d’augmenter la tension progressivement.
Toutefois vers 2000 V, la fréquence des amorçages est telle qu’elle finit par provoquer
la destruction des diodes avec protection. En revanche la tenue en tension maximum
7,0x10
-2
6,0x10
-2
5,0x10
-2
4,0x10
-2
3,0x10
-2
2,0x10
-2
1,0x10
-2
3
-2
Densite de courant (A.cm )
relevée pour une D4 (sans protection) est de 1400 V.
2
1
0,0
0
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Tension (V)
Fig. 3–6 : Evolution de la caractéristique électrique inverse d’une diode avec JTE du
lot JTE00’F4 à 300 K sous SF6 en légère surpression, lorsque l’amplitude de la
polarisation inverse est augmentée progressivement (courbes 1 à 3).
Dans le lot des diodes testées on a pu noter que certains composants ne
présentent pas d’instabilité lors de la montée en tension. Ces dispositifs ont une tension
de claquage plus élevée que les autres, 2300 V au maximum pour les diodes avec JTE.
Les résultats obtenus sous SF6 semblent confirmer la présence d’un fort champ
électrique en bord d’anode. Bien que les tensions de claquage mesurées soient
supérieures à celles relevées lors des tests dans l’huile silicone, elles sont encore très
inférieures à la tension de claquage théorique (VBRTH = 6000 V). Le profil d’aluminium
des JTE que nous avons vu différent de celui visé ne peut à lui seul expliquer le mauvais
fonctionnement des poches. Les variations du courant pour une même polarisation et les
arcs successifs observés pendant les mesures paraissent révéler des problèmes liés à la
nature ou la qualité de la surface du semi-conducteur. Signalons que les courants de
fuite mesurés sous SF6 sont 10 à 100 fois inférieurs à ceux obtenus dans l’air.
144
CHAPITRE 4
Etude du comportement électrique de diodes bipolaires 5 kV en SiC-4H.
3.2. Mesures OBIC.
Le banc de mesures n’étant pas adapté pour effectuer des tests dans différents
milieux ambiants, la caractérisation des diodes JTE00’F4 par la méthode OBIC s’est
faite à température ambiante dans l’air.
Les différentes courbes présentées ci-dessous (Fig. 3–7) montrent l’évolution du
signal OBIC le long d’un diamètre d’une diode D4 (sans JTE) pour différentes tensions
inverses. Un très faible photocourant est détecté lorsque le faisceau U.V. balaye la zone
du contact d’anode (190 µm – 540 µm) car le métal absorbe la quasi-totalité des
photons. De part et d’autre de la métallisation on remarque une augmentation du courant
photogénéré lorsqu’on éclaire la partie de l’émetteur non recouverte par le contact
ohmique (25 µm). Ce signal varie avec la tension : ceci confirme l’existence et
l’étalement dans la couche N de la zone de charge d’espace due à la jonction P+ N. Le
photocourant décroît ensuite jusqu’à devenir nul lorsqu’on s’éloigne de l’extrémité de la
région P+ . Dès 200 V le courant de fuite s’accroît considérablement (Ir ≥ 10 -6 A) et vient
dégrader le rapport signal sur bruit. La mesure du photocourant de faible amplitude
(≤ 5×10-10 A ) s’en trouve perturbée. Toutefois à 300 V un pic de courant apparaît en
périphérie de l’émetteur, ce qui traduit une augmentation du champ électrique en ce lieu.
-9
4,0x10
V=0V
V = - 100 V
V = - 200 V
V = - 300 V
-9
Photocourant (A)
3,0x10
-9
2,0x10
-9
1,0x10
0,0
Contact
d'anode
P
-9
-1,0x10
0
100
200
+
300
400
x (µm)
N
500
600
700
Fig. 3–7 : Mesures OBIC le long d’un diamètre d’une diode D4 sous différentes
polarisations inverses. λ = 363,8 nm, φspot = 3,3 µm et PTransmise = 2 W/cm².
145
CHAPITRE 4
Etude du comportement électrique de diodes bipolaires 5 kV en SiC-4H.
L’instabilité des courants inverses des dispositifs et la formation d’arcs
électriques pour des tensions relativement faibles (400 V) n’ont pas autorisé des mesures
à plus hautes tensions. Il en est de même pour la caractérisation des diodes avec poches.
V=0V
V = - 50 V
V = - 100 V
V = - 200 V
V = - 300 V
-9
2,5x10
-9
Photocourant (A)
2,0x10
-9
1,5x10
-9
1,0x10
-10
5,0x10
0,0
JTE
-10
-5,0x10
0
+
P
JTE
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
x (µm)
Fig. 3–8 : Photocourant mesuré à différentes tensions inverses en balayant la surface
d’une diode D2. λ = 363,8 nm, φspot = 3,3 µm et PTransmise = 2 W/cm².
Le signal OBIC mesuré sous différentes polarisations inverses, en parcourant un
diamètre d’une diode JTE00’F4 avec JTE est semblable à celui obtenu pour un dispositif
sans protection (Fig. 3–8). On retrouve le signal OBIC variant avec la tension de
polarisation quand on illumine la zone P+ , mais aucun photocourant n’est détecté lorsque
le faisceau se trouve au-dessus des poches. Ceci dit, à 300 V, on distingue une
augmentation de l’intensité du signal sur une partie de la JTE, alors qu’un pic de signal
émerge en bordure de l’émetteur. Ce type de mesure avait déjà été observé sur les diodes
du lot JTE98’F3 (voir CHAPITRE 3 § 1.3.3.). Le dopage de la poche étant très faible la
zone de charge sous la JTE ne s’étend que très peu dans la couche épitaxiée donc
l’éclairement de cette zone ne génère qu’un faible photocourant. On avait toutefois
remarqué une extension latérale de la ZCE due à la jonction P+ N avec la tension.
On sait que pour λ = 351,1 nm la longueur de pénétration dans le SiC-4H est de
35 µm [Sridhara’99]. Comme la longueur d’onde utilisée pour ces mesures est de
363,8 nm, alors Lp > 35 µm. Peu de photons sont donc absorbés en surface du
semi-conducteur. Le signal généré par une ZCE de quelques microns proche de la
surface est donc très faible et peut ne pas être détecté. Des mesures complémentaires
146
CHAPITRE 4
Etude du comportement électrique de diodes bipolaires 5 kV en SiC-4H.
sont donc réalisées à une longueur d’onde plus courte (300 nm) dont la longueur de
pénétration est inférieure à 7 µm et ce pour tenter de repérer la ZCE créée par la JTE.
V=0V
V = - 50 V
V = - 100 V
V = - 200 V
V = - 300 V
Photocourant (A)
Etalement latéral
de la ZCE
-8
10
sous la JTE
-9
10
-10
10
Contact
-11
10
+
P
JTE
0
100
200
300
400
500 600
x (µm)
JTE
700
800
900 1000
Fig. 3–9 : Mesure OBIC le long d’un diamètre d’une diode D2 sous différentes
polarisations inverses. λ = 300 nm, φspot = 3,3 µm et PTransmise = 2 W/cm².
La figure précédente (Fig. 3–9) représente les variations de Log (Iph ) en fonction
de la position du faisceau de longueur d’onde λ = 300 nm. Contrairement aux
précédentes mesures on détecte un signal OBIC sur une partie de JTE (environ 60 µm)
dès 0 V. Le niveau de ce courant croît avec la tension. Il apparaît aussi que la zone où le
courant est mesuré s’étale lorsque la tension inverse augmente pour atteindre 150 µm
environ à 300 V. Les variations de ce signal ne semblent donc pas représenter la ZCE
induite par la JTE mais l’étalement latéral de la ZCE due à la jonction principale sous la
poche. L’absence de courant photogénéré correspondant à la ZCE de la jonction PN et
l’apparition du pic de courant en périphérie de l’émetteur dès 300 V semblent bien
indiquer un trop faible dopage de l’extension latérale de jonction.
La figure suivante (Fig. 3–10) représente les évolutions du courant photogénéré
d’une diode bipolaire en SiC-4H fournie par Siemens. Les paramètres de la protection
périphérique et de la couche épitaxiée de ce composant ont été optimisés pour que la
tension de claquage soit de 5 kV. Si l’on compare ces résultats à ceux obtenus sur la
diode D2 du lot JTE00’F4, on constate qu’ils sont très différents. On peut remarquer
notamment qu’un signal OBIC constant sur 300 µm variant avec la tension est mesuré
lorsqu’on illumine la surface de la JTE. On notera aussi l’absence de pic de courant en
bordure de région P+ témoignant d’une certaine efficacité la protection périphérique.
147
CHAPITRE 4
Etude du comportement électrique de diodes bipolaires 5 kV en SiC-4H.
-8
1,2x10
V=0V
V = - 50 V
V = - 100 V
V = - 200 V
V = - 300 V
-8
1,0x10
Photocourant (A)
-9
8,0x10
-9
6,0x10
-9
4,0x10
-9
2,0x10
0,0
-2,0x10
+
P
JTE
-9
0
300
600
900
JTE
1200 1500 1800 2100 2400
X (µm)
Fig. 3–10 : Mesure OBIC d’une diode bipolaire en SiC-4H fournie par Siemens
dimensionnée pour tenir une tension de 5 kV. λ = 300 nm, φspot = 3,3 µm et
PTransmise = 1 W/cm².
3.3. Discussion.
La tenue en tension des diodes sans protection (entre 700 V et 1000 V) et
l’absence d’étalement de la ZCE en surface de la couche N notifiée par les mesures
OBIC des diodes D4, indiquent clairement que la couche d’aluminium détectée en
surface du semi-conducteur n’est pas électriquement active.
La visualisation de points lumineux en périphérie de zone P+ lors des tests de
claquage dans différents milieux et l’absence de signal OBIC lorsqu’on éclaire la JTE
désignent explicitement un dysfonctionnement de l’extension latérale de jonction. Certes
le profil de dopage de la JTE ne correspond pas à celui envisagé mais le retrait du profil
n’a pas engendré une grande perte de dopants (2×10 12 cm-2 à 5×1012 cm-2 ). Dans ces
conditions si l’on considère un taux d’activation électrique unitaire la tenue en tension
des dispositifs devrait être au minimum de 3 kV. Or les tensions de claquage relevées
pour ce lot de diodes avoisinent 2 kV. Il semblerait donc comme pour le lot de diodes
JTE99’F4 que le taux d’activation électrique de l’aluminium soit inférieur à 100 %.
148
CHAPITRE 4
Etude du comportement électrique de diodes bipolaires 5 kV en SiC-4H.
Une autre hypothèse peut être envisagée pour contribuer à expliquer ces faibles
valeurs de tensions de claquage des dispositifs. Lors des mesures OBIC on a pu
constater l’apparition d’un pic de photocourant en périphérie de l’émetteur pour des
tensions relativement faibles (autour de 300 V). La présence de charges positives à la
surface de la diode pourrait entraîner le resserrement précoce des équipotentielles. Dans
ces conditions les performances de la JTE se trouvent dégradées. Si on considère une
densité de charges positives de surface non nulle, alors pour assurer une tenue en tension
minimum de 5 kV on devrait sensiblement augmenter la dose d’aluminium implantée
des JTE. Les instabilités et la diminution du courant inverse dans les différents milieux
ambiants semblent aller dans le sens de cette dernière hypothèse.
Aux vus des résultats OBIC obtenus, il paraît difficile d’exclure l’effet de
l’activation électrique trop faible des dopants sur la tenue en tension. Le claquage
prématuré des composants peut donc être induit par une action combinée de ces deux
phénomènes (présence de charges positives en surface et mauvaise activation électrique
des dopants).
4.
Conclusion du chapitre.
La réalisation de ce premier lot de diodes haute tension (5 kV) sur SiC-4H a
permis de confirmer certains résultats déjà observés sur les lots précédents.
Les caractéristiques électriques directes à température ambiante de ce lot de
diodes attestent des améliorations apportées par le recuit post-implantation de type F4.
Cela se traduit par une conservation du profil de dopage implanté (pas de gravure du
semi-conducteur), des résistances de contact ohmique relativement faibles (≤ 1 mΩ.cm²)
et une extension de la zone de croissance exponentielle du courant (9 décades) avec un
coefficient d’idéalité n ≈ 1,8.
En terme de tenue en tension le bilan est plus mitigé. Bien que la tenue en
tension des dispositifs protégés soit 1,6 fois plus élevée que celle des structures sans
JTE, les mesures OBIC et les observations des manifestations du claquage à température
ambiante ont révélé une défaillance évidente des terminaisons de jonction. Cette
faiblesse peut être reliée notamment à l’étape du recuit post-implantation, dont le
rendement en terme d’activation électrique des accepteurs reste inférieur à celui
149
CHAPITRE 4
Etude du comportement électrique de diodes bipolaires 5 kV en SiC-4H.
souhaité. Les différentes étapes technologiques (photolithographie) ont eu aussi un effet
non négligeable sur le dysfonctionnement des JTE, notamment en étant à l’origine de la
modification du profil de dopants implantés. La présence supposée de charges positives
à la surface du SiC est certainement aussi un effet direct du procédé de fabrication des
dispositifs.
Cette étude a aussi mis en évidence la relation entre certains défauts du matériau
et certains comportements typiques (B3 ou B4) démontrant ainsi la difficulté persistante
à réaliser des dispositifs de grande taille.
En conclusion il serait souhaitable de réaliser une série de mesures permettant
de connaître avec exactitude le rendement effectif du recuit de type F4 pour des doses
implantées de l’ordre de 1013 cm -2 . En attendant une amélioration du procédé de recuit
post-implantation en terme d’activation électrique, une alternative serait de réaliser un
lot de diodes dont la dose implantée serait supérieure à la dose optimale déterminée par
simulation, pour obtenir des composants capables de tenir une tension avoisinant les
5 kV.
150
Etude de la tenue en tension des dispositifs de puissance en carbure de silicium par
caractérisations OBIC et électriques.
Conclusion Générale.
Cette étude en vue de l’augmentation de la tenue en tension des composants de
puissance en SiC s’est placée dans la continuité des travaux déjà réalisés au laboratoire.
Elle a porté à la fois sur la détermination de paramètres physiques du matériau
(coefficients d’ionisation des électrons et des trous) et sur l’analyse du comportement
sous polarisation inverse de diodes bipolaires planes, en complétant les caractérisations
électriques grâce à la mise en œuvre d’un banc expérimental de mesures de courants
induits dans les dispositifs par excitation lumineuse.
Pour atteindre ces objectifs, un banc de caractérisation des courants induits par
faisceau optique ('OBIC'), a tout d'abord été mis en place, convenant notamment à
l'étude de la répartition du champ électrique dans les composants de puissance en SiC.
La prise en compte des spécificités du matériau (Eg = 3 eV pour SiC–6H et 3,2 eV pour
SiC-4H) et des structures de tests (jonction peu profonde, épaisseur de couches
épitaxiées variant de 2 µm à 40 µm) ont conduit à la mise au point d'un système
expérimental capable de générer un faisceau lumineux dont la longueur d’onde varie de
300 nm à 363,8 nm pour une taille minimum de 3,3 µm.
En parallèle, l’étude des résultats bibliographiques concernant l’extraction des
coefficients d’ionisation de différents matériaux à partir de différentes techniques et une
étude par simulation avec le logiciel ISE ont permis d'envisager une structure de test et
une technique d'extraction des paramètres adaptées à la détermination des coefficients
d’ionisation des porteurs dans SiC par mesures OBIC.
Classiquement basée sur l'exploitation de la mesure préalable du facteur de
multiplication des porteurs en fonction de la tension inverse appliquée à la jonction, la
méthode proposée a pour volonté de réduire le nombre d'hypothèses simplificatrices
généralement utilisées. Les simulations effectuées montrent en effet que ces dernières
affectent de façon non négligeable la qualité du résultat, à savoir la dépendance des
coefficients d'ionisation en fonction du champ électrique. Un dispositif de type Schottky
à contact d'anode semi-transparent, déposé sur une couche épitaxiée de type N ou P
(pour mesurer respectivement αp et αn ), d'épaisseur et de dopage tels que ces paramètres
puissent être déterminés expérimentalement (par mesures C(V)), a été choisi et conçu.
Ainsi le profil réel du champ électrique dans la structure éclairée par un faisceau de
151
Conclusion Générale
longueur d’onde donnée, peut être pris en compte, et l’erreur commise sur les calculs
des variations du facteur de multiplication en fonction de la tension appliquée est
minimisée. Ces calculs sont effectués numériquement à l'aide du simulateur ISE. La
technique itérative employée pour faire coïncider la courbe expérimentale de
dépendance du facteur de multiplication M en fonction de la tension appliquée avec la
courbe simulée permet de converger vers les valeurs des paramètres du modèle retenu
− bp
pour décrire les coefficients d'ionisation (sous la forme : α p = a p .exp
E
). Grâce aux
calculs numériques, la solution finale ne découle d'aucune hypothèse sur le type et la
provenance des porteurs ionisants. Il est établi dans la littérature que le coefficient des
électrons est négligeable devant celui des trous. Les différentes simulations que nous
avons réalisées ont démontré qu’il était impossible dans ces conditions d’extraire αn
directement des valeurs de M mesurées. La méthode proposée permet d’obtenir des
valeurs approchées de celui-ci.
En pratique, les tests électriques de type I(V) en inverse des Schottky à métallisation
semi-transparente, réalisées en collaboration avec l’université de Newcastle ont révélé
une efficacité partielle des protections périphériques, entraînant un claquage sous faible
tension, localisé en périphérie de la jonction, n'ayant pas permis la détermination
expérimentale du facteur de multiplication en volume M. Ce dysfonctionnement des
poches est dû à une trop faible valeur du dopage des JTE engendrée par une trop faible
dose d’aluminium effectivement implantée et un mauvais taux d’activation électrique du
recuit post-implantation de type F3.
Concernant l’étude de l’influence de la périphérie des composants sur la tension
de claquage, l’exploitation de la technique OBIC a permis de compléter utilement la
caractérisation électrique de différents lots de diodes (1,5 kV) pour confirmer certains
résultats et faire ressortir des particularités de plusieurs procédés utilisés lors des étapes
technologiques.
Ainsi les effets du recuit post-implantation ionique de type F3 sur les profils de
dopants, les résultats de tenue en tension des diodes sans protection des lots JTE98C et
JTE98D et les mesures OBIC associées, ont montré que le profil d’émetteur avait un
rôle non négligeable sur la tension de claquage des composants. Cette observation vaut
encore pour les dispositifs avec protection JTE dopée bore. L'effet de la diffusion très
152
Conclusion Générale
importante du bore durant le recuit post-implantation ionique à 1700 °C pendant 30 mn
sur la répartition du champ électrique en périphérie de jonction est vérifié par les
mesures OBIC. Ces résultats confirment que le bore n’est pas un dopant adapté à la
réalisation de terminaisons de jonction performantes, malgré sa contribution au bon
fonctionnement en direct des composants.
Les densités de courant obtenues sous 5 V (60 A/cm²) pour les diodes de type JTE99’F4
et surtout l’augmentation de la zone de croissance exponentielle (7 à 8 décades) du
courant en direct démontre les améliorations apportées par la nouvelle configuration de
type F4 du recuit post implantation ionique.
Bien que l’on observe un effet des JTE dopées aluminium sur la tenue en tension des
composants (VBR = 500 V pour les diodes sans poche et VBR = 1000 V pour les
dispositifs protégés) les mesures OBIC révèlent un pic de champ électrique en
périphérie de l’émetteur responsable du claquage prématuré. La dose implantée étant
relativement proche de la dose optimale déterminée par simulation et le milieu ambiant
n’ayant pas de réelle influence sur la tension de claquage de ces diodes on peut donc
mettre en cause le taux d’activation électrique des accepteurs lors du recuit de type F4.
L’objectif de ces travaux étant l’augmentation de la tension de claquage, nous
avons donc caractérisé un lot de diodes dont la structure a été optimisée par simulation
pour tenir une tension de 5 kV. Les résultats des caractérisations OBIC et électriques ont
démontré le claquage précoce des composants (2300 V sous SF6 et 1200 V dans l’air),
localisé en bordure de zone P + . En plus du problème évoqué d'une activation électrique
des dopants de la JTE, l’effet des différentes étapes technologiques sur l’état de surface
du matériau (présence de charges à l’interface air/semi-conducteur) confirment ainsi la
difficulté à réaliser des extensions latérales de jonction implantées performantes.
Pour résumer ces travaux nous pouvons dire que l’étude des différents lots de
diodes a permis d’évaluer l’impact du recuit post-implantation ionique autant sur les
performances en direct qu’en inverse des composants. Des comportements particuliers
ont pu être reliés à la qualité cristalline du matériau SiC-4H et SiC-6H et aux
conséquences de différentes étapes technologiques (photolithographie, recuit post
implantation) sur l’état de surface du matériau. Le banc de mesures OBIC s’est avéré
efficace dans l’étude de la répartition du champ électrique des structures étudiées.
Notamment il a révélé le claquage prématuré des composants en périphérie de
153
Conclusion Générale
l’émetteur, malgré une amélioration des performances des JTE. L’intérêt de la méthode
proposée pour déterminer αn et αp , a été validé par simulation, mais n’a pu être
démontré expérimentalement.
A l’avenir, que ce soit pour la validation expérimentale des coefficients
d'ionisation des électrons et des trous, que pour l'obtention de composants de puissance
haute tension, des améliorations technologiques restent à apporter (comme palier ou
augmenter le faible taux d’activation électrique des accepteurs Al, ou améliorer la
propreté de surface durant la fabrication et passiver la surface…), tout en conservant
pour l'instant les types de structures considérées au cours de ces travaux (la protection
périphérique par JTE pour les diodes haute tension, et la structure spécifique dédiée aux
mesures de αn et αp ). La technique de mesure des coefficients d’ionisation pourra être
ultérieurement appliquée à d’autres polytypes comme SiC-4H. Une adaptation du banc
expérimental OBIC devra être envisagée pour les caractérisations en température. Il est
envisageable d’utiliser la méthode OBIC pour étudier les effets des passivations sur le
comportements électriques des dispositifs de puissance SiC.
154
Etude de la tenue en tension des dispositifs de puissance en carbure de silicium par
caractérisation OBIC et électriques.
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163
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164
Etude de la tenue en tension des dispositifs de puissance en carbure de silicium par
caractérisations OBIC et électriques.
ANNEXE
1.
ANNEXE A : LE BANC DE MESURES OBIC...................................................... 167
1.1. L E LASER................................................................................................................ 167
1.2. L E BANC OPTIQUE. .................................................................................................... 167
1.3. L ES APPAREILS DE TESTS ET DE MESURES ................................................................... 170
1.4. L E PILOTAGE DU BANC ET LE TRAITEMENT DES MESURES . .......................................... 171
2.
ANNEXE B : MODÈLES ET PARAMÈTRES UTILISÉS DANS LE LOGICIEL DE
SIMULATION ISE............................................................................................................ 172
2.1. M ODÈLES DE BANDE INTERDITE ET MASSE EFFECTIVE ................................................ 172
2.2. CONCENTRATIONS D 'ÉLECTRONS ET DE TROUS ........................................................... 173
2.3. M OBILITÉ ................................................................................................................. 173
2.4. M OBILITÉ À FORT CHAMP ÉLECTRIQUE ...................................................................... 173
2.5. IONISATION PAR IMPACT ET CLAQUAGE PAR AVALANCHE ........................................... 174
2.6. M ODULE "OPTIK"...................................................................................................... 174
2.6.1. Définition du faisceau optique. ................................................................................ 174
a) La direction ................................................................................................................. 174
b) La longueur d’onde et intensité..................................................................................... 175
2.6.2. Caractéristique du matériau éclairé. ........................................................................ 175
3.
ANNEXE C : CONFIGURATION DU FOUR DE RECUIT POST-
IMPLANTATION. ............................................................................................................ 176
3.1. CONFIGURATION POUR LE RECUIT DE TYPE F3 [OTTAVIANI ’99]. ................................. 176
3.2. CONFIGURATION POUR LE RECUIT DE TYPE F4 [LAZAR ’01]......................................... 176
165
Etude de la tenue en tension des dispositifs de puissance en carbure de silicium par
caractérisations OBIC et électriques.
166
Etude de la tenue en tension des dispositifs de puissance en carbure de silicium par
caractérisations OBIC et électriques.
ANNEXE
1.
Annexe A : Le Banc de mesures OBIC.
1.1. Le LASER
Le modèle 2025-05 de Spectra Physics est un laser argon doublement ionisé. Ce
laser peut fonctionner en visible (457,9 nm< λ <514,5 nm), en ultra violet (333,6 nm < λ
< 363,8 nm) en toutes raies ou en monoraie. Le laser permet également d’obtenir un
groupement de 3 raies autour de 300 nm (U.V. profond). L’alimentation du laser permet
une régulation en courant et comporte un système de purge de la cavité laser sous air
filtré pour l’U.V. ou sous azote pour l’U.V. profond, ce qui permet d’obtenir une
meilleure stabilité du faisceau dans le temps. Etant donné la sensibilité du SiC seules les
raies U.V. et U.V. profondes sont utilisées. La puissance du faisceau laser varie de 10
mW à 300 mW. Pour toutes les mesures la puissance sera fixée au minimum à 10 mW.
1.2. Le banc optique.
Les différents éléments qui composent le banc optique (Fig. 1–1) sont :
ª Un chopper Standford Research Systems SR 540 dont la fréquence
varie de 4 à 400 Hz avec le disque à 6 bandes et de 400 Hz à 3,7 kHz
avec le disque à 30 bandes.
ª Un polariseur à prisme d’atténuation 105 traité antireflet U.V.
ª Une lentille L1 LLU-13-20 de focale 20 mm.
ª Trois trous sources de taille 10 µm, 30 µm et 100 µm.
ª Une lentille L2 LLU-25-63 de focale 63 mm.
ª Une lame séparatrice traitée antireflet U.V. sur la face supérieure et
avec un coefficient de réflexion pour la face inférieure de 50 %.
ª Une lentille L3 LLU-13-20 de focale 20 mm.
ª Des platines tangentes croisées.
ª Des platines XY motorisées PI M125.11 pilotables ayant une course de
25 mm avec un pas minimum de 0,2 µm.
ª Une platine Z manuelle dont une graduation correspond à 10 µm et la
course maximale est de 20 mm.
167
Annexe
ª Une lentille L4 LLU-25-300 de focale 300 mm.
ª Une mire graduée, dans le plan de l’échantillon (une graduation =
3,3 µm).
ª Un objectif pour la caméra composé de 2 lentilles :
- Une lentille L51 LLU-13-20 de focale 20 mm.
- Une lentille L52 LLU-25-63 de focale 63 mm.
ª Une caméra CCD Cohu ayant un domaine de sensibilité de 200 nm à
800 nm.
ª Un moniteur vidéo PHILIPS.
Pour utiliser la raie à 300 nm il est préférable d’utiliser le filtre interférentiel
centré sur 300 nm.
Le polariseur, le support du trou source, les lentilles L1, L2 , L3, L4 et la lame
séparatrice sont montés sur un même support fixé par deux vis sur l’armature métallique
sur laquelle sont fixés la potence soutenant la caméra, les platines (tangentes , XYZ), le
support de l’échantillon, le chopper et le laser.
Le faisceau laser échantillonné à une fréquence donnée passe d’abord dans le
polariseur de manière à être atténué puis il entre en rayon parallèle dans L1 pour en
ressortir en rayon convergent vers le foyer de L1 qui est celui de L2. Au voisinage du
point de focalisation de L1 et L2 est positionné le trou source qui permet d’obtenir la
taille du faisceau voulue en surface de l’échantillon. En sortie de L2 on retrouve un
faisceau parallèle, car toutes les lentilles utilisées travaillent entre leur foyer et l’infini.
Le faisceau est ainsi envoyé sur la lame séparatrice, là une partie est transmise (50 %) et
va se perdre, l’autre partie est réfléchie et envoyée vers L3. Le rôle de L3 est de
focaliser le faisceau sur l’échantillon dans le plan S. Le rapport des focales de L2 et L3
est de 1/3 ce qui permet d’obtenir respectivement un spot de 3 µm, 10µm, 30µm pour
des trous source de 10 µm, 30 µm, 100 µm. Une partie du faisceau reçu par l’échantillon
est réfléchie et renvoyée vers L3 et la lame séparatrice, la partie du faisceau qui est
transmise par la séparatrice est focalisée par L4 en un point qui est situé dans le plan
focal Image, ce point est également le point de focalisation de l’objectif de la caméra ce
qui nous permet de visualiser le spot obtenu sur l’échantillon avec un grandissement de
45 = (f4/f3)*(f52/f51) ou un grandissement de 5 = (f4/f3)*(f51/f52). Les différentes
lentilles ont un coefficient de transmission de 80 %, et la lame séparatrice transmet 50 %
168
Annexe
de la puissance du faisceau, donc si le faisceau de puissance 10 mW est atténué au
maximum par le polariseur (105 ), la puissance transmise est :
Pincidente = 10−5 × 0,8 × 0,8 × 0,5 × 0,8 × Plaser = 25, 6 ×10−9 W
PTransmise = (1 − R).Pincidente
Où R est le coefficient de réflexion du SiC
 1− n 
R =

 1+ n 
2
(52)
avec n : indice de réfraction du SiC qui varie très peu pour le polytype SiC-6H
dans la gamme de longueurs d’onde utilisées (2,831< n < 2,902 ce qui donne 0,2284< R
< 0,2376).
La valeur de la puissance optique incidente calculée n’est vrai que si on néglige
la puissance des anneaux de diffraction et sans la présence d’un trou source.
Les différences entre les valeurs théoriques et expérimentales sont dues d’une
part au positionnement du trou source et d’autre part aux incertitudes sur les valeurs des
coefficients de transmission et d’atténuation des différentes optiques.
Fig. 1–1 : Schéma du banc optique et trajet du faisceau Laser.
169
Annexe
1.3. Les appareils de tests et de mesures.
L’échantillon de carbure de silicium où se trouvent les dispositifs (diodes JTE,
diodes MESA…) est collé sur un support conducteur pour prendre le contact en face
arrière. Le contact face avant est pris en effectuant une soudure avec un fil d’or ou
d’aluminium dont le diamètre est d ≤ 33 µm. Le dispositif à caractériser (Fig. 1–2) est
mis en série avec une résistance, le courant photogénéré est mesuré aux bornes de celleci à l’aide d’une détection synchrone (STANFORD RESEARCH SYSTEMS SR 830).
Ce circuit est polarisé par une source de tension (S.M.U. Keithley K237).
La tension maximale délivrée par la K237 est de 1100 V. Lors des mesures
OBIC elle est pilotée par le P.C. pour appliquer une tension continue que l’on définit
préalablement. La K237 peut aussi mesurer le courant qui circule dans le circuit (courant
d’obscurité + courant photogénéré) ce qui permet de vérifier le bon fonctionnement du
circuit de mesure (qualité des connexions, claquage de la diode ...), pour éviter la
détérioration de la diode on peut fixer un courant limite (compliance). La détection
synchrone est utilisée pour détecter et mesurer un signal alternatif très faible. Souvent
les signaux de faible amplitude sont noyés dans le bruit, il est donc très difficile de les
détecter et de donner une valeur de l'amplitude fiable.
Détection Synchrone
SR 830
D.S.
DST
Dispositif sous test
S.M.U.
Keithley 237
Fig. 1–2 : Schéma du circuit de mesure.
Principe : D’après le théorème de Fourier tout signal peut être décomposé en
plusieurs composantes sinusoïdales d’amplitude, de fréquence et de phase différentes.
C’est la représentation du signal dans le domaine fréquentiel. Toutes les composantes
du signal reçu par la détection synchrone sont multipliées par un sinus à la fréquence
170
Annexe
de référence. Le produit de ces deux signaux donne un signal de sortie dont la
composante continue est proportionnelle au signal de référence. Les autres composantes
multipliées par le signal de référence sont rejetées par le filtre passe bas qui suit le
multiplieur.
Un disque perforé éclairé par le faisceau LASER tournant à une vitesse
constante permet de générer des impulsions lumineuses à la fréquence f = 70 Hz. Le
courant reçu par la détection synchrone (DS) est la somme du courant d’obscurité (Iobs
qui est le courant inverse du DST non éclairé) et du courant photogénéré (Iph qui est le
courant inverse du DST soumis à un éclairement localisé périodique). Le signal de sortie
de la DS sera donc Iph.
1.4. Le pilotage du banc et le traitement des mesures.
Ce programme développé à l’aide du logiciel TESTPOINT commercialisé par
KEITHLEY permet dans un premier temps d’initialiser tous les appareils de mesure et
de polarisation. Le circuit est ensuite polarisé à une tension déterminée par l’utilisateur.
Le balayage de la surface de la diode ou d’un diamètre s’effectue à pas constant
préalablement défini. Pour chaque position du faisceau, un nombre donné X de mesures
sont effectuées aux bornes de la résistance. La moyenne de celles-ci est réalisée et
stockée dans un fichier en fonction des coordonnées du point d’injection des photons.
Lors du parcours d’un diamètre du composant la courbe des variations du courant
photogénéré s’affiche point par point à l’écran. La cartographie nécessite un traitement
spécifique (fausses couleurs….) pour pouvoir visualiser l’étalement de la ZCE ainsi que
la distribution du champ électrique en surface du dispositif testé.
171
Etude de la tenue en tension des dispositifs de puissance en carbure de silicium par
caractérisations OBIC et électriques.
2.
Annexe B : Modèles et paramètres utilisés dans le logiciel
de simulation ISE.
Le logiciel de simulation ISE 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.
2.1. Modèles de bande interdite et masse effective
Le modèle de variation de la bande interdite, EG, en fonction de la température
est décrit par l'équation suivante:
EG (T ) = EG ( 0 ) − αT
(53)
avec:
polytypes
4H
6H
Eg(0) [eV]
3,26
3,02
[Ruff'94]
α [eV.K-1]
-3,3¥10-4
-3,3¥10-4
6H
Masses effectives des électrons
[¥m0]
md ,e = ( r 2 mt2 ml
)
1
3
[¥m0]
md,h [¥m0]
3
 2π md ,e k BT  2
-3
NC = 2 
 [cm ]
2
h


mt
0,42
r=6
md,e=2,33
md,h =1
T=300 K
9,04¥1019
4H
ml
2
mt
0,42
ml
0,33
r=3
md,e=0,80
md,h =1,2
T=300 K
1,84¥1019
3
T=300 K
T=300 K
19
19
 2π md ,h k BT  2
-3
3,34¥10
2,54¥10
NV = 2 
 [cm ]
2
h


-23
3
3
k=1,380658¥10
2
-1
m


 T 2
d ,e , h
-3
19
J.K
N C ,V = 2,5409 × 10 
 
 [cm ]
-19
q=1,6¥10 C
 m0   300 
kB =k/q=8,63¥10-3
eV.K-1
h=6,626¥10-34
m0 =9,1¥10-31
172
Annexe
2.2. Concentrations d'électrons et de trous
La concentration de porteur intrinsèque d'un semi-conducteur est donnée par:
 E (T ) 
ni (T ) = N C (T ) NV (T ) exp  − G

 2 k BT 
(54)
2.3. Mobilité
−ξ
µn , p
 T 
µmax 

 300 
= µmin1 +
N
1+  i
 Cr
− µmin 2
(55)
α



avec Ni = Na -+Nd+ , concentration totale de dopant ionisés.
6H
Paramètres
2
-1
-1
µmax [cm .V .s ]
µmin1 [cm2.V-1 .s -1]
µmin2 [cm2.V-1 .s -1]
C r [cm -3]
α
ξ
µp
70
5
0
1¥1019
0,3
3
µn
150
20
0
4,5¥1017
0,5
3
2.4. Mobilité à fort champ électrique
La vitesse des porteurs dans un semi-conducteur est proportionnelle au champ
électrique de conduction, v = µE . La vitesse de transport des porteurs augmente avec le
champ électrique jusqu'à un maximum appelé vitesse de saturation, Vsat.
Une formulation analytique proposée par Canali [Canali'75] est:
µn , p ( E ) =
µn , p
α
  µn , p E 
1 + 
  vsat 





1
α
(56)
avec vsat =2¥107 cm.s -1 et α=2.
173
Annexe
2.5. Ionisation par impact et claquage par avalanche
Une formulation analytique des coefficients d'ionisations, αn,p, en fonction du
champ électrique E est proposée par Chynoweth [Chynoweth’58].
α n, p ( E ) = γ an, p e
−
γ bn , p
(57)
E
avec γ : coefficient tenant compte de la variation des coefficients d'ionisation en
fonction de la température.
 hω 
tanh  op 
 600k 
γ =
 hω 
tanh  op 
 2kT 
[Raghunathan’97]
[Konstantinov'98]
an
[cm -1]
2,5¥106
0,4¥106
bn
[V.cm -1]
1,48¥107
1,67¥107
(58)
ap
[cm -1]
2,5¥106
16,3¥106
bp
[V.cm -1]
1,48¥107
1,67¥107
2.6. Module "Optik".
Ce module permet de simuler l’éclairement d’un dispositif à semi-conducteur.
Nous l’avons utilisé pour réaliser les simulations de mesures OBIC notamment pour
démontrer la validité de la méthode d’extraction des coefficients d’ionisation. Pour
simuler l’éclairement d’un dispositif par un faisceau lumineux il faut définir les
paramètres du faisceau optique et les paramètres du matériau éclairé.
2.6.1. Définition du faisceau optique.
Le faisceau lumineux est défini par sa direction, sa longueur d’onde et son
intensité.
a) La direction
Elle est définie par un vecteur noté [x, y] qui indique si l’éclairement est latéral
ou perpendiculaire à la surface du composant.
Valeurs utilisées dans nos simulations : [0, 1]
174
Annexe
b) La longueur d’onde et intensité.
La longueur d’onde est associée à un indice complexe de réfraction N=n+ik.
n est l’indice de réfraction du matériau et permet de calculé le coefficient de
réflexion R :
 1− n 
R =

 1+ n 
2
(59)
k est l’indice d’absorption du matériau et permet de calculé le coefficient
d’absorption α :
α=
Longueur d'onde
λ (nm)
300
333,6
351,1
364,7
4π k
λ
(60)
N = n+ik
n
k
2,9
0,015
2,877
0,0046
2,836
0,0031
2,817
0,0020
[Patrick’59], [Sridhara’99]
Dans les simulations l’intensité du faisceau est fixée à 1 W/cm 2 .
2.6.2. Caractéristique du matériau éclairé.
Dans cette partie, on détaille l’épaisseur et le matériau de chaque couche
traversée afin de prendre en compte l’atténuation du faisceau et les différents
changements d’indice donnant lieu à une modification de la puissance du faisceau. On
définit ensuite la taille et le lieu de la zone d’illumination. Dans notre cas elle est
généralement fixé à 3 µm en surface du composant.
Toutes ces informations sur le matériau et sur le faisceau optique sont
indispensables aux calculs du taux de génération optique donné par la relation :
Gopt = α J exp
−α Z − Z 0
(61)
où α est le coefficient d’absorption du matériau, J l’intensité du faisceau
lumineux et Z0 est une des coordonnées du point d’éclairement.
175
Annexe
3.
Annexe C : Configuration du four de recuit postimplantation.
Le four utilisé pour les recuits post-implantation est un four à induction
JIPELEC. Les recuits sont effectués à 1700 °C pendant 30 mn sous flux d’argon à
pression atmosphérique.
38 mm
Plaquette
de SiC
Capot
Couvercle
Suscepteur
Tube de
Quartz
45 mm
Fig. 3–1 : Schéma du four à induction JIPELEC utilisé pour les recuits postimplantation
3.1. Configuration pour le recuit de type F3 [Ottaviani’99].
Lors de ce recuit la face implantée de la plaquette est exposée c’est à dire située
à 1 mm du couvercle.
3.2. Configuration pour le recuit de type F4 [Lazar’01].
Lors de ce recuit la face implantée de la plaquette est positionnée contre le
suscepteur.
176
FOLIO ADMINISTRATIF
THESE SOUTENUE DEVANT L’INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE LYON
NOM : ISOIRD
DATE de SOUTENANCE :
13 Juin 2001
Prénoms : Karine
TITRE :
Etude de la tenue en tension des dispositifs de puissance en carbure de silicium par caractérisations OBIC et
électriques
NATURE : Doctorat
Numéro d’ordre : 01 ISAL 0018
Formation Doctorale : Génie Electrique
Cote B.I.U. – Lyon :
/
et
bis
CLASSE :
RESUME :
Cette étude en vue de l’augmentation de la tenue en tension des composants de puissance en carbure
de silicium a porté à la fois sur la détermination de certains paramètres physiques du matériau
(coefficients d’ionisation des électrons et des trous) et sur l’analyse du comportement sous
polarisation inverse de diodes bipolaires. Les caractérisations électriques ont été complétées par des
mesures OBIC (Optical Beam Induced Current). Le début de ces travaux de thèse a été consacré à la
mise en place du banc de mesures expérimental OBIC en tenant compte des spécificités du matériau.
L’étude bibliographique de différentes méthodes d’extraction des coefficients d’ionisation dans d’autres
matériaux a conduit à envisager une procédure adaptée au SiC et visant à minimiser les erreurs engendrées
par les hypothèses simplificatrices. Pour cela nous avons conçu et réalisé un composant spécifique (diode
Schottky à grille semi-transparente) qui permet d’évaluer les coefficients d’ionisation à partir des variations
du facteur de multiplication (M) en fonction de la tension inverse appliquée, obtenues par mesures OBIC.
Les paramètres de ce dispositif protégé par extension latérale de jonction implantée ont été optimisés par
simulation à l’aide du logiciel ISE.
L’étude des comportements électriques de plusieurs lots de diodes 1,5 kV dont les protections (JTE) ont été
réalisées avec des dopants différents (Bore ou Aluminium) a révélé l’impact de différentes configurations de
recuit post-implantation ionique sur la tenue en tension et sur le comportement en direct. Le banc de mesures
OBIC s’est avéré efficace dans l’étude de la répartition du champ électrique des structures étudiées, il a
notamment révélé l’influence de divers paramètres (profil de dopage de l’émetteur, dopage de la JTE…) sur
le claquage des composants en SiC. La dernière étape de ces travaux de thèse visant à l’augmentation de la
tenue en tension a été la réalisation et la caractérisation de diodes conçues pour tenir une tension de 5 kV.
MOTS-CLES : carbure de silicium, SiC-4H, SiC-6H, tension de claquage, OBIC, JTE, coefficient
d’ionisation, diodes bipolaires, composants de puissance.
Laboratoire (s) de recherches : Centre de Génie Electrique de Lyon (CEGELY)
Directeur de thèse : Marie-Laure LOCATELLI
Président du jury : J. CAMASSEL
Composition du jury :
M. AMIET, J. CAMASSEL, J.P. CHANTE, M. L. LOCATELLI,M. JOHNSON, P. MERLE, F.
MISEREY, R. NIPOTI