Le carbure de silicium – la base des semi-conduc

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es composants à semi-conducteurs,
tels que les diodes, thyristors, transistors et
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
sont des composants clés de l’électronique
de puissance ABB. Leurs domaines d’appli-
cation résident en particulier dans les entraî-
nements, les systèmes d’alimentation en
énergie et les véhicules ferroviaires, tels que
les tramways et les locomotives électriques.
Dans la partie supérieure de la gamme, on
trouve des compensateurs statiques de
puissance réactive et d’autres équipements
pour le perfectionnement du transport de
l’énergie, dont des installations de transport
de courant continu à haute tension
(C.C.H.T.). La gamme des puissances des
produits ABB à semi-conducteurs s’étend
sur huit ordres de grandeur - de quelques
centaines de watts jusqu’à quelques giga-
watts.
ABB fournit en outre des semi-conduc-
teurs de puissance, principalement des
types avec une tension de claquage de plus
de 1,5 kV. Des produits importants de ce
domaine sont les thyristors GTO (Gate Turn
Off), les thyristors haute tension et les dio-
des.
L’élément de commutation idéal –
jusqu’ici encore une chimère
Les concepteurs de circuits électriques dé-
sirent des composants qui bloquent des
tensions élevées à l’état bloqué et qui ad-
mettent des courants élevés à l’état pas-
sant, tout en exigeant un besoin d’énergie
minimal pour passer si possible sans perte
d’un état à l’autre.
Ces composants idéaux n’existent pas
encore. Dans la pratique, selon le domaine
d’application, on utilise différents éléments
de commutation en se rapprochant de
l’idéal sous différents aspects. Les pertes
de puissance élevées des éléments de
commutation à semi-conducteurs obligent
souvent à choisir un type d’élément de
commutation moins idéal. Ce problème de-
vient plus aigu aux tensions élevées .
1
Le MOSFET (Metal Oxyde Semiconductor
Field Effect Transistor) se rapproche le plus
de l’élément de commutation idéal. Malheu-
reusement, il ne convient qu’à des tensions
relativement basses, vu que les pertes aug-
mentent rapidement avec la tension de blo-
cage.
L’IGBT est pour ainsi dire un MOSFET
modifié qui évite les inconvénients de celui-
ci – toutefois au prix de pertes de commuta-
tion 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 des-
sus de 2 kV, le thyristor GTO maîtrise encore
le terrain. Il peut commander des puissan-
ces très élevées, mais requiert des moyens
de commutation relativement complexes
par rapport aux MOSFET et aux IGBT.
Le concepteur de circuits électriques re-
cherche donc un composant qui réunit la
simplicité d’utilisation des MOSFET et les
grandes puissances commandables des
IGBT et GTO, c’est-à-dire un élément qui se
cantonne dans le coin supérieur droit de .
C’est là exactement ce que peut fournir le
MOSFET à base de carbure de silicium.
Les composants
en carbure de silicium
Le carbure de silicium (SiC) fournit une résis-
tance de claquage environ 10 fois plus éle-
vée contre les champs électriques que le si-
licium (Si). Ce faisant, les pertes des compo-
sants fondés sur du SiC peuvent être
beaucoup plus basses. Par exemple, une
structure MOSFET sur une base de SiC de-
vrait être en mesure de maîtriser des ten-
sions de claquage de plusieurs kilovolts,
tandis qua la valeur maximale du compo-
sant Si correspondant est limitée à
500–1000 V.
Autrefois, les nouveaux types d’éléments
de commutation ont révolutionné la
construction des systèmes de l’électronique
de puissance. C’est ainsi que l’introduction
des GTO, les premiers composants vérita-
blement de haute puissance avec un pou-
voir de coupure élevé, a modifié la concep-
tion des entraînements des locomotives
électriques: en partant des moteurs de trac-
tion à courant continu et synchrones avec
1
Le carbure de
silicium – la base
des semi-conduc-
teurs de haute
puissance futurs
Au cours de la prochaine décennie, le silicium sera très probablement utilisé
de manière croissante à côté du carbure de silicium, pour former la base des
semi-conducteurs de puissance, spécialement pour les tensions de blocage
supérieure à 500 V. Par rapport aux semi-conducteurs de puissance actuels,
les composants en carbure de silicium présentent des pertes considérable-
ment plus basses. En outre, ils maîtrisent des tensions de blocage et des
températures de service plus élevées.
L
Dr Karl Bergman
Centre de recherche ABB
Västerås/Suède
SEMI-CONDUCTEURS DE PUISSANCE AU SiC

38 Revue ABB 1/1996
alimentation par des convertisseurs com-
mutés par le réseau, on a pu passer aux
moteurs de traction triphasés avec alimen-
tation par des convertisseurs à commuta-
tion automatique et un circuit intermédiaire à
tension continue. Dans le cas des entraîne-
ments industriels, l’introduction des IGBT a
permis de simplifier les circuits de com-
mande et de courant fort, ce qui s’est tra-
duit par une amélioration du comportement
d’exploitation et par des frais réduits.
Le carbure de silicium
maîtrise des intensités de champ
dix fois plus élevées
Pour pouvoir maîtriser une tension Ub, la
couche de jonction d’un semi-conducteur
doit présenter une certaine épaisseur, afin
que l’intensité du champ électrique maximal
Emax que le matériau doit supporter sans
claquage ne soit pas dépassée. L’épaisseur
minimale Wde la couche s’exprime par la
relation suivante:
(1)
Sous certaines conditions constructives, le
facteur 2 du numérateur peut être supprimé.
Le grand avantage du SiC réside dans le
fait qu’il supporte une intensité de champ
électrique Emax environ dix fois plus élevée
que le Si1). Par conséquent, l’épaisseur re-
quise par un élément SiC pour une tension
donnée n’atteint que le dixième de celle
d’un élément Si.
L’équation ci-après, connue générale-
ment sous la dénomination d’équation de
Maxwell, tient aussi compte du dopage du
matériau semi-conducteur, c’est-à-dire de la
teneur en centres de capture commandés:
(2)
Dans cette équation
l représente la densité
de charge d’espace, ¡ la permittivité, ¡
0
la
constante de champ électrique, q la charge
élémentaire et Nd+ la concentration du don-
neur ionisé. On admet que la tension est
bloquée par une couche N faiblement
dopée, comme c’est le cas pour la plupart
des composants Si et SiC.
En admettant un dopage constant et en
combinant les équations (1) et (2), on ob-
tient:
(3)
Pour une tension de claquage donnée et
avec l’intensité de champ dix fois plus éle-
vée telle qu’elle est possible avec le SiC, le
dopage de la couche conductrice peut être
environ 100 fois élevé que dans le cas du Si.
Les MOSFET SiC ont des pertes
basses à l’état passant
Un MOSFET est le semi-conducteur de
puissance possédant les propriétés les plus
avantageuses tant pour le concepteur de
circuits électriques que pour l’utilisateur final
. Comme déjà mentionné, les MOSFET
n’ont été utilisés jusqu’ici que pour des ten-
sions de claquage atteignant quelques cen-
taines de volts. L’une des explications de ce
fait est donnée par l’équation suivante:
(4)
Dans cette équation, rds,on représente la ré-
sistance spécifique (en 1cm2) de la couche
de jonction, désignée également par le
terme de champ interne d’un MOSFET verti-
cal. La résistance augmente avec la largeur
2
du champ de déplacement et diminue avec
un dopage accru, vu que le nombre de por-
teurs de charge qui transportent le courant
augmente. Le symbole m désigne la mobi-
lité de ces porteurs de charge, c’est-à-dire
normalement des électrons.
Selon l’équation (4), la résistance dans le
champ de déplacement du MOSFET aug-
mente avec le carré de la tension de cla-
quage. Dans le cas du Si, on atteint déjà
avec des tensions de claquage de quelques
centaines de volts des valeurs de résistance
inadmissiblement élevées. On constate en
outre que la résistance diminue selon la
puissance 3 du champ critique. Etant donné
que l’intensité de champ critique du SiC est
environ dix fois supérieure à celle du Si, les
pertes à l’état passant des MOSFET SiC
sont beaucoup plus faibles que celles des
composants Si correspondants. Cela est
pour le moins valable dans la gamme des
puissances dans laquelle les pertes à l’état
passant sont dominées par le champ de dé-
placement. Ces connaissances sont appli-
cables à tous les composants dits unipolai-
res, dans lesquels on n’utilise qu’un seul
porteur de charge pour le transport du cou-
rant, c’est-à-dire aux MOSFET, JFET (Junc-
tion Field Effect Transistor) et aux diodes de
Schottky.
Composants bipolaires pour des
tensions de claquage plus élevées
Etant donné que les structures MOSFET à
base de Si ne peuvent plus être utilisées
pour des tensions de claquage supérieures
MOSFET
BJT
GTO
IGBT
log P
A
Comparaison subjective de
différents types de composants
semi-conducteurs: aptitudes
d’application pratique A en fonction
de la puissance commandable P
1
Source
p
Drain
n-
n+
n+
Gate
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.
2
1) Dans cette représentation, pour des raisons de simpli-
cité, 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 pour-
tant relativement faible.
W>2Ub
Emax
dE
dx=
l
¡¡
0
=qNd
+
¡¡
0
SEMI-CONDUCTEURS DE PUISSANCE AU SiC
Nd
+<
¡¡
0Emax
2qUb
2
rds,on =4Ub
歭
0Emax
2
3

Revue ABB 1/1996 39
à quelques centaines de volts, le concep-
teur de circuits électriques doit faire appel à
des éléments bipolaires pour le domaine
des tensions plus élevées. Comme le mon-
tre l’équation (3), la résistance est limitée par
le nombre de porteurs de charge Nd+ dispo-
nibles. Dans les composants bipolaires, tels
que les diodes PN, les IGBT et les GTO, le
nombre des porteurs de charge est aug-
menté par injection de la part des émetteurs
d’anode et de cathode lors de l’enclenche-
ment de l’élément. Par rapport aux structu-
res MOSFET, il en résulte des pertes à l’état
passant dramatiquement plus basses. La
cathode injecte des électrons et l’anode des
trous. Le courant est donc porté tant par
des électrons chargés négativement que
par des trous de charge positive, d’où l’ex-
pression bipolaire.
Une injection de porteurs de charge bi-
polaires présente pourtant l’inconvénient
que lors du déclenchement, les charges en
excédent doivent être éliminées, avant que
le composant puisse revenir à l’état bloqué.
Cette élimination s’effectue par un courant
en sens inverse et par ce qu’on appelle les
recombinaisons, c’est-à-dire la neutralisa-
tion réciproque des électrons et des trous.
Le temps requis par l’élimination des por-
teurs de charges excédentaires n’est nulle-
ment négligeable. Pendant cet intervalle, la
tension et le courant peuvent atteindre en
même temps des valeurs très élevées, ce
qui augmente fortement les pertes de com-
mutation. L’avantage de pertes à l’état pas-
sant relativement basses doit donc être ac-
quis au prix de pertes de commutation cor-
respondantes élevées.
Il est évident que dans les MOSFET et les
autres composants unipolaires, les porteurs
de charge en excédent doivent aussi être
éliminés, mais les pertes qui s’y produisent
sont normalement beaucoup plus basses
que dans le cas des composants bipolaires.
La valeur totale de la charge spécifique
injectée qinj s’exprime comme suit:
(5)
Jest la densité de courant et o a durée de
vie des porteurs minoritaires, c’est-à-dire le
temps moyen de la recombinaison d’un
électron et d’un trou. La durée de vie des
semi-conducteurs de puissance dépend de
la concentration des pièges. Celle-ci est dé-
terminée par le fabricant qui peut, pour cha-
que type de semi-conducteur et en fonction
du domaine d’application, trouver un com-
promis acceptable entre les pertes dans le
sens passant et celles de commutation.
Substrats SiC expérimentaux (wafers) de différentes
grandeurs avec des structures de diodes
(Photographie IMC)
3
Micrographie de micro-tuyaux (lignes foncés) qui
franchissent un substrat. Ces défauts ont un diamètre
d’environ 1 µm .
(Photographie Université Linköping)
4
qinj =J o
SEMI-CONDUCTEURS DE PUISSANCE AU SiC

40 Revue ABB 1/1996
Composants bipolaires SiC pour
tensions supérieures à 10 kV
Comme mentionné, le concepteur de cir-
cuits électriques ne se sert de composants
bipolaires que lorsque la tension de service
est trop élevée pour les composants unipo-
laires – MOSFET et diodes de Schottky. A
l’avenir, l’utilisation de SiC pour les structu-
res MOSFET et les diodes de Schottky per-
mettront des tensions de claquage considé-
rablement plus élevées qu’en cas de Si. On
peut donc prévoir des structures MOSFET
dans la majorité des applications. Cela est
particulièrement valable pour les tensions de
service atteignant plusieurs kilovolts.
Dans de nombreux domaines d’applica-
tion, par exemple dans la compensation de la
puissance réactive et pour les lignes
C.C.H.T., les tensions de service sont beau-
coup plus élevées que les tensions de cla-
quage les plus hautes qu’on peut réaliser
avec les meilleurs matériaux semi-conduc-
teurs qui soient. Dans de tels cas, seul le
branchement en série des composants per-
met de résoudre le problème comme
jusqu’ici.
La tension de claquage des composants
est choisie de telle manière qu’on obtienne
un optimum entre les pertes et le comporte-
ment du système. Dans ces domaines d’ap-
plication, les thyristors ont une tension de cla-
quage typique de 6–7 kV. Cette tension est
un compromis entre les coûts, les données
techniques, ainsi que les pertes à l’état pas-
sant et de commutation. Pour des tensions
de claquage si élevées, on a besoin d’une
épaisseur de couche de jonction d’environ
1 mm et d’une durée de vie des porteurs de
charge d’environ 100 µs , ce qui provoque
des pertes de commutation considérables.
Avec le SiC, la tension de claquage des
composants de ce domaine d’application
sera probablement beaucoup plus élevée.
Des composants fournissant des tensions
de claquage bien au-delà de 10 kV sont
concevables. La durée de vie requise des
porteurs de charge serait alors comprise
entre 1 et 10 µs , ce qui procure la possibilité
d’un comportement de commutation rai-
sonnable.
Les composants SiC maîtrisent
des températures beaucoup plus
élevées
Pour les composants de puissance bipolai-
res basés sur Si, on recommande générale-
ment une température de service inférieure
à 125 ˚C, tandis que les composants unipo-
laires, tels que les MOSFET peuvent s’utili-
La croissance épitaxiale sur du carbure de silicium s’effectue par chauffage haute
fréquence à des températures d’environ 1500 ˚C.
(Photographie IMC)
5
SEMI-CONDUCTEURS DE PUISSANCE AU SiC

Revue ABB 1/1996 41
ser jusqu’à une température de 150 ˚C. Ces
limites s’expliquent physiquement par des
courants de fuite plus élevés, qui provo-
quent des températures plus élevées en
sens inverse dans les jonctions PN bloquan-
tes, de sorte que le risque d’«avalanches
thermiques» s’accroît. Etant donné que la
durée de vie des porteurs de charge aug-
mente, des processus parasites destructifs
peuvent se dérouler. Finalement, une mobi-
lité réduite est également la cause de pertes
en sens passant dans les composants uni-
polaires. Il est évident que la température de
service doit rester en dessous de la tempé-
rature à laquelle le matériau semi-conduc-
teur 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 per-
due. 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 cou-
rants de fuite de la jonction PN sont extrê-
mement faibles, de sorte que la tension peut
aussi être bloquée à des températures net-
tement 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 cher-
cheurs américains a utilisé un MOSFET à
base de SiC à une température de 650 ˚C.
Cette sollicitation thermique admissible per-
mettra certainement quelques perfection-
nements sur les systèmes de l’électronique
de puissance. Il y a pourtant lieu de men-
tionner que les faibles pertes mentionnées
sont valables pour les températures
de service et les densités de courant usuel-
les pour les semi-conducteurs à base sili-
cium.
Pourquoi les composants SiC ne
sont-ils pas encore disponibles?
Les avantages des composants SiC sont
déjà connus depuis les années 60. Le fait
que néanmoins on ne dispose pas encore
de composants SiC est imputable à des dif-
ficultés technologiques. Jusqu’ici, ce maté-
riau n’a été utilisé industriellement que
comme abrasif, le plus souvent sous la dé-
nomination «corindon».
Le SiC ne peut pas être fondu à des
pressions maîtrisables. Au point de fusion
d’environ 2500 ˚C, il passe directement à
l’état gazeux. Le cristal doit donc être bâti à
partir de cet état, ce qui est beaucoup plus
difficile qu’avec le silicium qui fond à environ
1400 ˚C.
L’un des plus grands obstacles à la percée
de la technique SiC réside dans l’impossibi-
lité de trouver un substrat (matériau de sup-
port) de qualité suffisante pour la fabrication
commerciale d’éléments semi-conducteurs.
Avant de pouvoir lancer la production, on a
besoin, comme dans le cas des semi-
conducteurs au silicium, d’un substrat mo-
nocristallin (wafer). A la fin des années 70,
on a développé un procédé pour la fabrica-
tion de substrats en SiC de grande surface
. Ces substrats fabriqués selon la mé-
thode dite de Lely modifiée présentent pour-
3
Mesure microscopique de la tension de claquage d’une diode
SiC dans du gaz SF6
(Photographie IMC)
6
SEMI-CONDUCTEURS DE PUISSANCE AU SiC