Le carbure de silicium – la base des semi-conduc

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Le carbure de
silicium – la base
des semi-conducteurs de haute
puissance futurs
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Le MOSFET (Metal Oxyde Semiconductor
Field Effect Transistor) se rapproche le plus
de l’élément de commutation idéal. Malheureusement, il ne convient qu’à des tensions
relativement basses, vu que les pertes augmentent rapidement avec la tension de blocage.
L’IGBT est pour ainsi dire un MOSFET
modifié qui évite les inconvénients de celuici – toutefois au prix de pertes de commutation plus élevées. Depuis les années 80,
l’IGBT a évincé de plus en plus souvent le
BJT (Bipolar Junction Transistor) à titre de
semi-conducteur de puissance pour des
tensions de blocage de quelques centaines
de volts jusqu’à 2 kV et davantage. En dessus de 2 kV, le thyristor GTO maîtrise encore
Au cours de la prochaine décennie, le silicium sera très probablement utilisé
le terrain. Il peut commander des puissan-
de manière croissante à côté du carbure de silicium, pour former la base des
ces très élevées, mais requiert des moyens
semi-conducteurs de puissance, spécialement pour les tensions de blocage
de commutation relativement complexes
supérieure à 500 V. Par rapport aux semi-conducteurs de puissance actuels,
par rapport aux MOSFET et aux IGBT.
les composants en carbure de silicium présentent des pertes considérable-
Le concepteur de circuits électriques re-
ment plus basses. En outre, ils maîtrisent des tensions de blocage et des
cherche donc un composant qui réunit la
températures de service plus élevées.
simplicité d’utilisation des MOSFET et les
grandes puissances commandables des
L
IGBT et GTO, c’est-à-dire un élément qui se
L’élément de commutation idéal –
cantonne dans le coin supérieur droit de 1 .
tels que les diodes, thyristors, transistors et
jusqu’ici encore une chimère
C’est là exactement ce que peut fournir le
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
Les concepteurs de circuits électriques dé-
MOSFET à base de carbure de silicium.
sont des composants clés de l’électronique
sirent des composants qui bloquent des
de puissance ABB. Leurs domaines d’appli-
tensions élevées à l’état bloqué et qui ad-
cation résident en particulier dans les entraî-
mettent des courants élevés à l’état pas-
Les composants
nements, les systèmes d’alimentation en
sant, tout en exigeant un besoin d’énergie
en carbure de silicium
énergie et les véhicules ferroviaires, tels que
minimal pour passer si possible sans perte
Le carbure de silicium (SiC) fournit une résis-
les tramways et les locomotives électriques.
d’un état à l’autre.
tance de claquage environ 10 fois plus éle-
es composants à semi-conducteurs,
Dans la partie supérieure de la gamme, on
Ces composants idéaux n’existent pas
vée contre les champs électriques que le si-
trouve des compensateurs statiques de
encore. Dans la pratique, selon le domaine
licium (Si). Ce faisant, les pertes des compo-
puissance réactive et d’autres équipements
d’application, on utilise différents éléments
sants fondés sur du SiC peuvent être
pour le perfectionnement du transport de
de commutation en se rapprochant de
beaucoup plus basses. Par exemple, une
l’énergie, dont des installations de transport
l’idéal sous différents aspects. Les pertes
structure MOSFET sur une base de SiC de-
de
tension
de puissance élevées des éléments de
vrait être en mesure de maîtriser des ten-
(C.C.H.T.). La gamme des puissances des
commutation à semi-conducteurs obligent
sions de claquage de plusieurs kilovolts,
produits ABB à semi-conducteurs s’étend
souvent à choisir un type d’élément de
tandis qua la valeur maximale du compo-
sur huit ordres de grandeur - de quelques
commutation moins idéal. Ce problème de-
sant
centaines de watts jusqu’à quelques giga-
vient plus aigu aux tensions élevées 1 .
500–1000 V.
courant
continu
à
haute
watts.
Si
correspondant
est
limitée
à
Autrefois, les nouveaux types d’éléments
ABB fournit en outre des semi-conduc-
de
commutation
ont
révolutionné
la
teurs de puissance, principalement des
construction des systèmes de l’électronique
types avec une tension de claquage de plus
de puissance. C’est ainsi que l’introduction
de 1,5 kV. Des produits importants de ce
des GTO, les premiers composants vérita-
domaine sont les thyristors GTO (Gate Turn
blement de haute puissance avec un pou-
Off), les thyristors haute tension et les dio-
Dr Karl Bergman
voir de coupure élevé, a modifié la concep-
des.
Centre de recherche ABB
tion des entraînements des locomotives
Västerås/Suède
électriques: en partant des moteurs de traction à courant continu et synchrones avec
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MOSFET
IGBT
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GTO
log P
Comparaison subjective de
différents types de composants
semi-conducteurs: aptitudes
d’application pratique A en fonction
de la puissance commandable P
1
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du champ de déplacement et diminue avec
fait qu’il supporte une intensité de champ
un dopage accru, vu que le nombre de por-
électrique Emax environ dix fois plus élevée
teurs de charge qui transportent le courant
que le Si1). Par conséquent, l’épaisseur re-
augmente. Le symbole m désigne la mobi-
quise par un élément SiC pour une tension
lité de ces porteurs de charge, c’est-à-dire
donnée n’atteint que le dixième de celle
normalement des électrons.
Selon l’équation (4), la résistance dans le
L’équation ci-après, connue générale-
BJT
A
Le grand avantage du SiC réside dans le
d’un élément Si.
A
S
champ de déplacement du MOSFET aug-
ment sous la dénomination d’équation de
mente avec le carré de la tension de cla-
Maxwell, tient aussi compte du dopage du
quage. Dans le cas du Si, on atteint déjà
matériau semi-conducteur, c’est-à-dire de la
avec des tensions de claquage de quelques
teneur en centres de capture commandés:
centaines de volts des valeurs de résistance
dE
l
qN d+
=
=
dx ¡¡ 0
¡¡ 0
inadmissiblement élevées. On constate en
(2)
outre que la résistance diminue selon la
puissance 3 du champ critique. Etant donné
Dans cette équation l représente la densité
que l’intensité de champ critique du SiC est
de charge d’espace, ¡ la permittivité, ¡ 0 la
environ dix fois supérieure à celle du Si, les
constante de champ électrique, q la charge
pertes à l’état passant des MOSFET SiC
élémentaire et Nd+ la concentration du don-
sont beaucoup plus faibles que celles des
neur ionisé. On admet que la tension est
composants Si correspondants. Cela est
bloquée par une couche N faiblement
pour le moins valable dans la gamme des
alimentation par des convertisseurs com-
dopée, comme c’est le cas pour la plupart
puissances dans laquelle les pertes à l’état
mutés par le réseau, on a pu passer aux
des composants Si et SiC.
passant sont dominées par le champ de dé-
moteurs de traction triphasés avec alimen-
En admettant un dopage constant et en
placement. Ces connaissances sont appli-
tation par des convertisseurs à commuta-
combinant les équations (1) et (2), on ob-
cables à tous les composants dits unipolai-
tion automatique et un circuit intermédiaire à
tient:
res, dans lesquels on n’utilise qu’un seul
tension continue. Dans le cas des entraînements industriels, l’introduction des IGBT a
permis de simplifier les circuits de com-
Nd+ <
¡¡ 0 E
2 qUb
2
max
porteur de charge pour le transport du cou(3)
rant, c’est-à-dire aux MOSFET, JFET (Junction Field Effect Transistor) et aux diodes de
mande et de courant fort, ce qui s’est tra-
Pour une tension de claquage donnée et
duit par une amélioration du comportement
avec l’intensité de champ dix fois plus éle-
Schottky.
vée telle qu’elle est possible avec le SiC, le
d’exploitation et par des frais réduits.
dopage de la couche conductrice peut être
Composants bipolaires pour des
environ 100 fois élevé que dans le cas du Si.
tensions de claquage plus élevées
Le carbure de silicium
Etant donné que les structures MOSFET à
maîtrise des intensités de champ
base de Si ne peuvent plus être utilisées
dix fois plus élevées
Les MOSFET SiC ont des pertes
Pour pouvoir maîtriser une tension Ub, la
basses à l’état passant
pour des tensions de claquage supérieures
couche de jonction d’un semi-conducteur
Un MOSFET est le semi-conducteur de
doit présenter une certaine épaisseur, afin
puissance possédant les propriétés les plus
que l’intensité du champ électrique maximal
avantageuses tant pour le concepteur de
Emax que le matériau doit supporter sans
circuits électriques que pour l’utilisateur final
claquage ne soit pas dépassée. L’épaisseur
2 . Comme déjà mentionné, les MOSFET
minimale W de la couche s’exprime par la
n’ont été utilisés jusqu’ici que pour des ten-
relation suivante:
sions de claquage atteignant quelques centaines de volts. L’une des explications de ce
W>
2 Ub
E max
(1)
Sous certaines conditions constructives, le
fait est donnée par l’équation suivante:
rds,on =
4 Ub2
歭 0 Emax3
Structure d’un MOSFET à base
SiC possible. La couche n - est la
zone de blocage du composant
et influence fortement le
comportement de passage.
Gate
2
Source
n+
p
(4)
facteur 2 du numérateur peut être supprimé.
Dans cette équation, rds,on représente la ré1)
Dans cette représentation, pour des raisons de simplicité, l’intensité du champ Emax est admise comme étant
constante, bien qu’en fait, elle dépende tant du dopage
que de la température. L’erreur qui en résulte est pourtant relativement faible.
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n-
sistance spécifique (en 1cm2) de la couche
de jonction, désignée également par le
terme de champ interne d’un MOSFET vertical. La résistance augmente avec la largeur
n+
Drain
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Substrats SiC expérimentaux (wafers) de différentes
grandeurs avec des structures de diodes
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(Photographie IMC)
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Micrographie de micro-tuyaux (lignes foncés) qui
franchissent un substrat. Ces défauts ont un diamètre
d’environ 1 µm.
4
(Photographie Université Linköping)
à quelques centaines de volts, le concep-
que lors du déclenchement, les charges en
sont normalement beaucoup plus basses
teur de circuits électriques doit faire appel à
excédent doivent être éliminées, avant que
que dans le cas des composants bipolaires.
des éléments bipolaires pour le domaine
le composant puisse revenir à l’état bloqué.
des tensions plus élevées. Comme le mon-
Cette élimination s’effectue par un courant
tre l’équation (3), la résistance est limitée par
en sens inverse et par ce qu’on appelle les
le nombre de porteurs de charge Nd+ dispo-
recombinaisons, c’est-à-dire la neutralisa-
nibles. Dans les composants bipolaires, tels
tion réciproque des électrons et des trous.
que les diodes PN, les IGBT et les GTO, le
Le temps requis par l’élimination des por-
J est la densité de courant et o a durée de
nombre des porteurs de charge est aug-
teurs de charges excédentaires n’est nulle-
vie des porteurs minoritaires, c’est-à-dire le
menté par injection de la part des émetteurs
ment négligeable. Pendant cet intervalle, la
temps moyen de la recombinaison d’un
d’anode et de cathode lors de l’enclenche-
tension et le courant peuvent atteindre en
électron et d’un trou. La durée de vie des
ment de l’élément. Par rapport aux structu-
même temps des valeurs très élevées, ce
semi-conducteurs de puissance dépend de
res MOSFET, il en résulte des pertes à l’état
qui augmente fortement les pertes de com-
la concentration des pièges. Celle-ci est dé-
passant dramatiquement plus basses. La
mutation. L’avantage de pertes à l’état pas-
terminée par le fabricant qui peut, pour cha-
cathode injecte des électrons et l’anode des
sant relativement basses doit donc être ac-
que type de semi-conducteur et en fonction
trous. Le courant est donc porté tant par
quis au prix de pertes de commutation cor-
du domaine d’application, trouver un com-
des électrons chargés négativement que
respondantes élevées.
promis acceptable entre les pertes dans le
par des trous de charge positive, d’où l’expression bipolaire.
Il est évident que dans les MOSFET et les
La valeur totale de la charge spécifique
injectée qinj s’exprime comme suit:
qinj = Jo
(5)
sens passant et celles de commutation.
autres composants unipolaires, les porteurs
Une injection de porteurs de charge bi-
de charge en excédent doivent aussi être
polaires présente pourtant l’inconvénient
éliminés, mais les pertes qui s’y produisent
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Composants bipolaires SiC pour
quage les plus hautes qu’on peut réaliser
Avec le SiC, la tension de claquage des
tensions supérieures à 10 kV
avec les meilleurs matériaux semi-conduc-
composants de ce domaine d’application
Comme mentionné, le concepteur de cir-
teurs qui soient. Dans de tels cas, seul le
sera probablement beaucoup plus élevée.
cuits électriques ne se sert de composants
branchement en série des composants per-
Des composants fournissant des tensions
bipolaires que lorsque la tension de service
met de résoudre le problème comme
de claquage bien au-delà de 10 kV sont
est trop élevée pour les composants unipo-
jusqu’ici.
concevables. La durée de vie requise des
laires – MOSFET et diodes de Schottky. A
La tension de claquage des composants
porteurs de charge serait alors comprise
l’avenir, l’utilisation de SiC pour les structu-
est choisie de telle manière qu’on obtienne
entre 1 et 10 µs, ce qui procure la possibilité
res MOSFET et les diodes de Schottky per-
un optimum entre les pertes et le comporte-
d’un comportement de commutation rai-
mettront des tensions de claquage considé-
ment du système. Dans ces domaines d’ap-
sonnable.
rablement plus élevées qu’en cas de Si. On
plication, les thyristors ont une tension de cla-
peut donc prévoir des structures MOSFET
quage typique de 6–7 kV. Cette tension est
dans la majorité des applications. Cela est
un compromis entre les coûts, les données
Les composants SiC maîtrisent
particulièrement valable pour les tensions de
techniques, ainsi que les pertes à l’état pas-
des températures beaucoup plus
service atteignant plusieurs kilovolts.
sant et de commutation. Pour des tensions
élevées
Dans de nombreux domaines d’applica-
de claquage si élevées, on a besoin d’une
Pour les composants de puissance bipolai-
tion, par exemple dans la compensation de la
épaisseur de couche de jonction d’environ
res basés sur Si, on recommande générale-
puissance
lignes
1 mm et d’une durée de vie des porteurs de
ment une température de service inférieure
C.C.H.T., les tensions de service sont beau-
charge d’environ 100 µs, ce qui provoque
à 125 ˚C, tandis que les composants unipo-
coup plus élevées que les tensions de cla-
des pertes de commutation considérables.
laires, tels que les MOSFET peuvent s’utili-
réactive
et
pour
les
La croissance épitaxiale sur du carbure de silicium s’effectue par chauffage haute
fréquence à des températures d’environ 1500 ˚C.
(Photographie IMC)
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ser jusqu’à une température de 150 ˚C. Ces
limites s’expliquent physiquement par des
courants de fuite plus élevés, qui provoquent des températures plus élevées en
sens inverse dans les jonctions PN bloquantes, de sorte que le risque d’«avalanches
thermiques» s’accroît. Etant donné que la
durée de vie des porteurs de charge augmente, des processus parasites destructifs
peuvent se dérouler. Finalement, une mobilité réduite est également la cause de pertes
en sens passant dans les composants unipolaires. Il est évident que la température de
service doit rester en dessous de la température à laquelle le matériau semi-conducteur passe en conductibilité intrinsèque,
c’est-à-dire lorsque la densité des porteurs
de charge ne dépend plus du dopage, mais
de l’intervalle d’énergie entre deux bandes
du matériau semi-conducteur. Au-dessus
de cette limite, l’aptitude de commande du
courant et de blocage de la tension est perdue. Pour le Si, cette température se situe à
environ 300 ˚C.
Les composants à base de SiC peuvent
par contre s’utiliser à des températures
considérablement plus élevées. Les courants de fuite de la jonction PN sont extrêmement faibles, de sorte que la tension peut
aussi être bloquée à des températures nettement supérieures à 300 ˚C. La limite de la
conductibilité intrinsèque n’est atteinte que
bien au-dessus de 1000 ˚C.
A titre d’exemple, un groupe de chercheurs américains a utilisé un MOSFET à
base de SiC à une température de 650 ˚C.
Cette sollicitation thermique admissible permettra certainement quelques perfectionnements sur les systèmes de l’électronique
de puissance. Il y a pourtant lieu de mentionner que les faibles pertes mentionnées
sont
valables
pour
les
6
Mesure microscopique de la tension de claquage d’une diode
SiC dans du gaz SF6
(Photographie IMC)
températures
de service et les densités de courant usuelles pour les semi-conducteurs à base silicium.
comme abrasif, le plus souvent sous la dé-
lité de trouver un substrat (matériau de sup-
nomination «corindon».
port) de qualité suffisante pour la fabrication
Le SiC ne peut pas être fondu à des
commerciale d’éléments semi-conducteurs.
Pourquoi les composants SiC ne
pressions maîtrisables. Au point de fusion
Avant de pouvoir lancer la production, on a
sont-ils pas encore disponibles?
d’environ 2500 ˚C, il passe directement à
besoin, comme dans le cas des semi-
Les avantages des composants SiC sont
l’état gazeux. Le cristal doit donc être bâti à
conducteurs au silicium, d’un substrat mo-
déjà connus depuis les années 60. Le fait
partir de cet état, ce qui est beaucoup plus
nocristallin (wafer). A la fin des années 70,
que néanmoins on ne dispose pas encore
difficile qu’avec le silicium qui fond à environ
on a développé un procédé pour la fabrica-
de composants SiC est imputable à des dif-
1400 ˚C.
tion de substrats en SiC de grande surface
ficultés technologiques. Jusqu’ici, ce maté-
L’un des plus grands obstacles à la percée
3 . Ces substrats fabriqués selon la mé-
riau n’a été utilisé industriellement que
de la technique SiC réside dans l’impossibi-
thode dite de Lely modifiée présentent pour-
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C
Record mondial pour diodes en
carbure de silicium
500
Les travaux de recherche ont conduit en
A/cm2
160 µm
particulier au Développement d’une diode
400
p+
SiC qui, par sa tension de claquage de
4,5 kV, a remporté un record mondial 7 .
Par rapport au résultat record précédent,
300
n-
cette amélioration signifie une tension plus
n+
que doublée.
200
Un part importante de ce résultat est imputable à la qualité du matériau d’épitaxie.
100
Les procédés développés en premier par
UBR
0
l’Université de Linköping ont fourni des cou-
J
ches qui, avec une épaisseur atteignant
90 µm et une pureté de dopage résiduel in-
-5000
V -4000
-3000
-2000
-1000
0
-100
10
férieure à 1014/cm3, dépassent tous les résultats connus à ce jour. Comme déjà men-
U
tionné, l’épaisseur et la pureté du matériau
sont les facteurs clés de la production de
composants haute tension de haute puisCaractéristique courant-tension et configuration schématique d’une diode
d’essai basée sur SiC, avec une tension de claquage de 4,5 kV
J
U
UBR
Densité de courant
Tension
Tension de claquage
p+
n–
n+
7
Emetteur, 1,5 µm, 1 × 1018 cm–3
Base, 45 µm, 1 × 1015 cm–3
Substrat
sance.
Jusqu’à une date récente, les milieux
professionnels étaient de l’avis que la durée
de vie des porteurs de charge minoritaires
était limitée à moins de 100 ns. La diode de
4,5 kV mentionnée a une durée de vie des
porteurs de charge d’environ 0,5 µs. Sur
quelques exemplaires, on a même observé
des valeurs encore plus élevées.
tant un grave défaut qu’on désigne par le
sur les procédés de fabrication de compo-
Bien que d’importants progrès aient été
vocable de micro-tuyaux 4 .
réalisés, la fabrication commerciale de semi-
Comme on a dû le constater, un seul
sants 5 , 6 . On y compte la gravure, la déposition des couches d’isolation, l’oxyda-
micro-tuyau à travers une jonction PN de
tion, la métallisation et l’élaboration des
recherche et de développement. On devrait
haute tension peut annihiler complètement
contacts. Au contraire de la technologie Si,
par exemple étudier plus en détail les pro-
la capacité de bloquer la tension. Au cours
une grande partie du matériau SiC utilisé par
blèmes en relation avec la passivation des
des trois dernières années, la densité de ces
les fabricants de composants pour la pro-
surfaces et améliorer la qualité des surfaces
défauts a pu être réduite de quelques mil-
duction de structures semi-conductrices est
de coupe MOS, étant donné que les deux
liers à 50–100 défauts par cm2. Malgré ce
produite par ceux-ci, et non pas par les
sont des facteurs critiques des MOSFET de
perfectionnement, si le rendement du pro-
fournisseurs de substrats. Cela provient du
puissance.
cédé doit dépasser un petit nombre de
fait que le dopage, c’est-à-dire l’introduction
pour-cent, la grandeur des composants
contrôlée de centres de capture par diffu-
reste limitée à quelques mm2. Ce faisant, la
sion à haute température n’est pas pratica-
tension maximale admissible par compo-
ble pour le SiC. En lieu et place, les centres
sant est limitée à quelques ampères. Pour
de capture sont injectés lors de l’épitaxie du
que les semi-conducteurs au SiC puissent
matériau. Pour des structures très plates, y
devenir une réalité commerciale, d’autres
compris les couches de contact, on peut in-
perfectionnements de la technologie des
jecter des ions de manière analogue au sili-
substrats sont encore nécessaires.
cium.
conducteurs SiC exige encore davantage de
Conjointement à ses partenaires de recherche, l’Université de Linköping, Suède, et le
Recherche dans le domaine du
Centre de micro-électronique industrielle de
Adresse de l’auteur
carbure de silicium
Stockholm (IMC), ABB a déjà remporté
Dr Karl Bergman
ABB compte parmi les entreprises leaders
quelques succès de grande envergure dans
Centre de recherche ABB
du développement de cette nouvelle techni-
le domaine des composants SiC haute ten-
S-72178 Västerås, Suède
que. Chez ABB, la recherche se concentre
sion.
Téléfax: +46 (0) 21 32 32 64
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