chapitre i : generalites sur le carbure de...
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Chapitre I Généralités sur le Carbure de Silicium
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Chapitre I : GENERALITES SUR LE CARBURE DE
SILICIUM
Chapitre I Généralités sur le Carbure de Silicium
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I.1 Introduction.
La croissance importante du marché mondial des semiconducteurs est liée au fait que
ces matériaux sont à l’origine de la révolution technologique de ces quarante dernières années
dans le domaine de l’électronique. En effet, l’électronique représente à l’heure actuelle le
marché mondial le plus important en volume ainsi que celui présentant la croissance la plus
rapide. Le marché des semiconducteurs couvre des domaines industriels très divers tels que
l‘informatique, l’automobile, les applications spatiales et militaires, sans oublier bien entendu
son rôle prépondérant dans les télécommunications.
Le matériau de base est le Silicium. De nombreuses raisons ont fait que le Silicium est
devenu le matériau semiconducteur prédominant. Par exemple, le Silicium permet la
réalisation de dispositifs électroniquement stables, qui supportent des températures jusqu'à
200°C. De plus, le Silicium est susceptible de former un oxyde SiO2 isolant et de grande
stabilité chimique. Par contre, pour son usage en électronique rapide et en optoélectronique,
les propriétés du silicium sont insuffisantes. La mobilité des porteurs est relativement faible
par rapport aux matériaux III-V, et son gap est indirect. L’énergie de bande interdite de
1,12eV et le champ de claquage de 0,3 MV.cm-1 limitent également les applications en
électronique de puissance.
Aujourd’hui, les semi-conducteurs à large bande interdite sont les candidats idéaux
pour réaliser un nouveau saut technologique. Leurs propriétés physiques (champ électrique de
claquage, vitesse de saturation, conductivité thermique) en font des matériaux sans
concurrents pour un grand nombre d’applications de forte puissance à haute fréquence et à
haute température. Les semi-conducteurs à grande bande interdite permettent d’étendre
l’utilisation des dispositifs électroniques dans le domaine des hautes températures, du fait de
leur grande bande interdite, et des fortes puissances, du fait du fort champ électrique de
claquage. Dans cette classe de matériaux, le diamant présente des propriétés exceptionnelles :
bande interdite très large (5.45 eV), mobilité importante des deux types de porteurs (µn = 2200
cm2/V.s et µp = 1600 cm2/V.s à 300 K, sans dopage intentionnel), une transparence optique
des micro-ondes à l’ultraviolet, une très grande conductivité thermique et il est inerte
chimiquement. Sa synthèse récente à basse température (800-900°C) et basse pression (20 à
80 Torr) en couches minces permet de commencer son exploitation. Elle reste encore limitée
par la taille des substrats (7×7 mm2) [Siriex’00], et une connaissance insuffisante des
caractéristiques des défauts et du dopage de type n, pour les couches homoépitaxiales. Les
avancées portent actuellement sur les couches polycristallines épaisses ou minces, dopées
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avec du bore ou non, et leur utilisation comme cathode froide (écrans plats, électrolyse) ou
capteurs (de photons UV, de température, de pression). Ces utilisations sont moins exigeantes
que la microélectronique sur la « qualité » des couches. La progression sur ces deux classes
d’applications nécessite un approfondissement des études de base sur le matériau, passant par
de nouveaux concepts en raison de ses particularités (interactions inédites porteurs - réseau -
défauts dues aux distances inter-atomiques très courtes, aux fréquences de phonons élevées, et
à des énergies d’ionisation des dopants intermédiaires entre niveaux peu profonds et
profonds). Au niveau international, les japonais, les américains, les anglais, les allemands et
les russes sont les plus actifs ; par exemple aujourd’hui dans le domaine du nucléaire on
utilise des diamants polycristallins pour les détecteurs de rayonnements [Bergonzo’99].
Parmi les semiconducteurs à large bande interdite, les nitrures d’éléments III (GaN,
AlGaN) possèdent des propriétés électroniques particulièrement intéressantes pour les
applications hyperfréquences [Mishra’98]. La vitesse maximum des électrons (2.7×107 m/s
pour du GaN en structure hexagonale) est supérieure à celle de l’arséniure de gallium. Par
ailleurs, leur largeur de bande interdite élevée (3.4 eV pour le GaN) et le fort champ
électrique de claquage de 3.5×106 V/cm [Gelmont’93] permettent un fonctionnement en
puissance et à haute température. De plus, un avantage très grand réside dans la possibilité de
réaliser des hétérostructures AlGaN/GaN avec de fortes mobilités électroniques de l’ordre de
1500 cm2.V-1.s-1. Enfin, leur grande stabilité chimique leur assure une excellente résistance
aux conditions extrêmes.
Le carbure de silicium est parmi ces semiconducteurs celui qui est connu depuis le
plus longtemps. En effet, c’est en 1824 que le scientifique suédois Jöns Jacob Berzelius
découvrit le Carbure de Silicium, alors même qu’il essayait de synthétiser du diamant. Le
carbure de silicium (SiC) est un cristal semiconducteur à grand gap dont les propriétés
physiques et électriques sont très intéressantes pour de nombreuses applications. En effet, en
1907, un ingénieur anglais, Henry Joseph Round, constate que lorsqu’un courant électrique
circule dans un morceau de Carbure de Silicium, celui-ci émet de la lumière [Round'07]. Mais
il faudra attendre 1979 pour que la première diode électroluminescente en Carbure de
Silicium émettant dans le bleu soit réalisée. Dès les années 60 et 70, le développement du SiC
en tant que matériau semi-conducteur est lié aux progrès réalisés dans le domaine de la
croissance de substrats de bonne qualité et l’utilisation de nouvelles techniques d’épitaxie
pour faire croître des couches actives n et p. Actuellement, le Carbure de Silicium est le semi-
conducteur à grande bande interdite dont on maîtrise le mieux la cristallogenèse et la
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technologie de réalisation des dispositifs électroniques. En effet, les étapes technologiques
pour le SiC sont relativement proches de celles utilisées dans la technologie du Si. De plus le
SiC possède, comme le Silicium, l’immense avantage de s’oxyder pour former du SiO2.
Ce chapitre traitera principalement des caractéristiques physiques du Carbure de
Silicium et de ses principales applications dans le domaine de la microélectronique. Nous
donnerons également une revue des principaux défauts électriquement actifs observés dans le
SiC jusqu’à présent.
I.2 Propriétés et applications du SiC
I.2.1 Polymorphisme du Carbure de Silicium
Le carbure de Silicium appartient à une famille de composés chimiques particulière
qui présente un polymorphisme à une dimension [Morkoc’94] appelé allotropie.
Revenons brièvement sur la définition de ces deux termes.
Tout d’abord, le polymorphisme est le terme employé pour désigner la possibilité pour
un composé chimique de cristalliser sous différentes formes minéralogiques. Ainsi, le
Carbonates de Calcium CaCO3 est dit « dimorphe » car il peut exister sous une forme
rhomboédrique, la calcite, ou sous forme orthorhombique, l’aragonite (du nom de la province
d'Espagne où il a été observé). Le polymorphisme ne nécessite pas forcément un changement
de système cristallin : le bioxyde de titane TiO2 possède deux formes dans le système
quadratique, celle du rutile et celle de l’anatase mais il se présente également sous une
troisième forme, la brookite du système orthorhombique, c’est donc un composé
« trimorphe ». Chaque forme possédant son domaine de stabilité propre, le polymorphisme est
largement utilisé pour définir les conditions de genèse qui président l’apparition d’un minéral
(par exemple, le cas de la silice).
L’allotropie est la propriété de certains corps purs à se présenter sous différentes
formes cristallographiques. Les formes allotropiques d’un corps peuvent présenter les
propriétés physiques très différentes. La différence entre les propriétés physiques et chimiques
des diverses formes allotropiques peut être illustrée par le carbone qui, selon la disposition des
atomes, peut se présenter sous forme de diamant ou graphite.
Le diamant, le plus stable de ces formes, possède une structure rigidement cubique :
chaque atome de carbone est lié à quatre autres atomes. Dans le graphite, qui cristallise dans
le système hexagonal, les atomes de carbone sont disposés selon des plans parallèles. Cette
différence de structure provoque des modifications sensibles dans les comportements
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chimiques et physiques : le diamant est très résistant du point de vue mécanique et chimique ;
le graphite et mou, clivable et présente une tendance plus prononcée à la réaction chimique.
Il a été recensé aujourd’hui plus de 200 polytypes de Carbure de Silicium
[Jagodzinski’60, Jepps’83], correspondant à des séquences d’empilement différentes le long
de l’axe c des couches Si-C (Silicium - Carbone), chaque atome étant dans une configuration
tétraédrique. La longueur de chaque liaison atomique est pratiquement la même pour chaque
polytype de SiC. La symétrie globale du cristal n’est déterminée que par la périodicité des
séquences. Ainsi, les polytypes de SiC sont classés suivant trois catégories cristallographiques
élémentaires : le système cubique (C), le système hexagonal (H) et le système rhomboédrique
(R).
Chaque couche atomique Si-C ne peut être orientée que suivant trois directions
possibles par rapport au réseau du cristal [Morkoc’94, Casady’96], celui-ci conserve ainsi une
structure de liaison atomique tétraédrique. Si les couches atomiques suivant une direction
particulières sont notées de manière arbitraire A, B et C et les séquences d’empilement
ABCABC, alors la structure cristallographique est de nature cubique ou zinc-blende ; (figure
I.1). Elle est connue comme étant le polytype 3C-SiC ou β-SiC. Le nombre 3 fait référence au
nombre de couches électroniques nécessaires à la périodicité du cristal et la lettre C à la
symétrie cubique de celui-ci. Il n’existe en fait qu’un seul polytype de Carbure de Silicium
appartenant au système cristallin cubique.
Si la séquence d’empilement des couches atomiques Si-C est ABAB…, alors la
symétrie du cristal est hexagonale [Casady’96, Trew’91] (figure I.2). Il s’agit alors du
A
A
A
B
C B
C
3C-SiC Figure I.1 : Structure Cristalline du polytype 3C-SiC
[Morkoc’94]
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polytype oté 2H-SiC Wurtzite. A partir de là, tous les autres polytypes sont combinaisons de
liaisons cubiques (zinc-blinde) et hexagonales (wurtzite).
Ainsi le polytype 4H-SiC est constitué par le même nombre de liaisons cubiques et
hexagonales. Le polytype 6H-SiC est composé aux deux tiers de liaisons cubiques, le tiers
restant étant des liaisons hexagonales (figure I.3). Cependant, la symétrie globale de ces deux
polytypes (4H-SiC et 6H-SiC) reste hexagonale, malgré la présence de liaisons cubique dans
chacun de ces polytypes. Les structures hexagonales et rhomboédriques sont regroupées dans
un même ensemble et sont notées α-SiC.
Figure I.2 : Liaisons entre les atomes de Silicium et de Carbone de nature
cubique (ou zinc-blende) et hexagonale (ou wurtzite) [Morkoc’94].
A
A
B
B
B
B
C
C
4H-SiC 6H-SiC
Figure I.3 : Structures cristallines de polytypes 4H-SiC et 6H-SiC [Morkoc’94]
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I.2.2 Propriétés Physiques du Carbure de Silicium
L‘intérêt dans le Carbure de Silicium (SiC) pour les applications électronique est
apparu dès le début des années 1960 en raison de ses propriétés remarquables (champ
électrique de claquage élevé, grande vitesse de saturation des porteurs sous fort champ et
conductivité thermique voisine de celle du cuivre). C'est un semi-conducteur à grande largeur
de bande interdite ayant un gap compris entre 2.2 et 3.3eV selon le polytype. De plus, le SiC a
un champ de claquage huit fois plus élevé et une conductivité thermique trois fois plus élevée
que le Silicium, ce qui permet de fabriquer des composants pouvant supporter des tensions
importantes avec un matériau qui évacue efficacement la chaleur. Ces propriétés sont très
intéressantes pour des applications à hautes températures et à fortes puissances.
Le Tableau I.1 présente les principales propriétés du Silicium (Si), de l'Arséniure de gallium
(AsGa), de Nitrure de Gallium (GaN), du Carbure de Silicium (SiC) et du diamant.
Gap Eg (eV)
Champ de claquage (KV.cm-1)
Mobilité électronique µn (cm2.V-1.s-1)
Vitesse de saturation (cm.s-1)
Conductivité Thermique (W.cm-1.K-1)
Constante diélectrique
Si 1.12 300 1000 0.8×107 1.5 11.9 GaAs 1.43 400 5000 2×107 0.54 12.8 GaN 3.4 3500 1500 2.7×107 1.3 9
4H-SiC 3.3 2000 800 2×107 5 9.7 Diamant 5. 5 10×103 1800 2.7×107 20 5.6
Tableau I-1 : Propriétés de quelques matériaux semiconducteurs.
Pour les applications hyperfréquences, les paramètres électroniques prépondérants
sont les caractéristiques de transport de charges (trous et électrons). Dans le domaine des
faibles champs électriques, les porteurs libres sont en équilibre thermodynamique avec le
réseau et leur vitesse moyenne est proportionnelle au champ électrique. En d'autres termes, la
mobilité des porteurs est indépendante du champ électrique et la vitesse de dérive s'écrit
simplement :
EV 0µ±=
Avec *0 mqτµ = , τ = temps de relaxation et m* = masse effective.
La vitesse de dérive des porteurs présente une valeur maximale Vsat obtenue pour une
valeur critique du champ électrique notée Ec. La valeur du champ électrique, pour laquelle se
produit la saturation de la vitesse de dérive, est très importante puisqu'elle traduit les
phénomènes d'accélération des porteurs jusqu'au régime de saturation. La vitesse de saturation
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pour les semi-conducteurs à grand gap est plus élevée que celle du silicium (Si) ou de
l'arséniure de gallium (GaAs). Ceci permet d'obtenir de forts courants DC et RF pour les
transistors MESFETs SiC.
Lorsque le champ électrique devient important, les interactions des porteurs avec les
vibrations du réseau entraînent une diminution de la mobilité des porteurs. Cette diminution
de la mobilité se traduit par une variation non linéaire de la vitesse de dérive des porteurs :
EEV ).(µ±=
Avec
VsatE
E+
=1
)( 0µµ
La mobilité des électrons (µn) et des trous (µp) sont des paramètres physiques prépondérants
pour les dispositifs microondes. En particulier, ils influent sur les performances RF, la
transconductance (Gm) et le gain en puissance des transistors MESFETs de puissance. De plus
le fort champ électrique d'avalanche du SiC [Van Opdorp’69] permet d'appliquer aux
transistors MESFETs de fortes tensions de polarisation de drain, ce qui permet d'obtenir des
puissances RF élevées en sortie.
La caractéristique de la vitesse des porteurs en fonction du champ électrique (figure
I.4) [Trew’91] est fondamentale pour déterminer l’amplitude du courant qui peut circuler dans
un composant. En principe, on souhaite une forte mobilité associée à une forte vitesse de
saturation.
Figure I.4: Caractéristique de la vitesse des électrons en fonction duchamp électrique pour plusieurs semi-conducteurs avec Nd = 1017
atomes/cm3 [Trew'91].
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Du point de vue des propriétés électriques, le seul inconvénient du SiC est la mobilité
relativement faible malgré une forte valeur de la vitesse de saturation. Pour une densité de
dopage de l'ordre de 1017 atomes/cm3, la mobilité des électrons varie de 200 à 600 cm2/V.s
suivant le polytype. La mobilité du polytype 4H-SiC est à peu près deux fois celle du polytype
6H-SiC. Le polytype 6H-SiC a donc l'inconvénient de présenter une faible mobilité
d'électrons : c'est la raison principale pour laquelle on préférera utiliser le polytype 4H pour
des applications microondes.
Pour synthétiser les avantages du carbure de silicium dus à ses propriétés physiques
intrinsèques, nous présentons dans la suite une comparaison de ses facteurs de mérite avec
d’autres semi-conducteurs.
I.2.2.1 Le facteur de mérite de Baliga (BMF)
Il mesure les performances du matériau pour une forte tenue en inverse et une faible
résistance en direct [Baliga’82] :
BFM= 3Cr Εµε
Où cE est le champ critique du matériau. µ est la mobilité des porteurs
I.2.2.2 Le facteur de mérite de Johnson (JMF) :
Il détermine l’aptitude du matériau pour des applications haute puissance et haute fréquence
[Johnson’63] :
JMF= (πν
2satCE )2
Où satν et la vitesse de saturation des porteurs
I.2.2.3 Le facteur de mérite de Keyes (KMF) :
Il établit l’aptitude du matériau pour la réalisation des circuits intégrés, en tenant compte de la
vitesse de commutation des transistors et de leur limitation par auto-échauffement [Keyes’72]
:
KFM=r
satcπενλ
4
Où c est la vitesse de la lumière et λ la conductivité thermique du matériau.
Le tableau suivant donne les valeurs de ces facteurs de mérite pour des matériaux
semiconducteurs, normalisées par rapport au silicium.
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Matériaux JMF KMF BMF
GaAs 7,1 0,45 15,6
Si 1 1 1
6H-SiC 260 4,68 110
4H-SiC 180 4,61 130
3C-SiC 65 1,6 33,4
GaN 760 1,6 650
Diamant 2540 32,1 4110
Le diamant possède de loin les valeurs de coefficients les plus élevées par rapport
aux autres matériaux semiconducteurs. Mais à l’heure actuelle, le SiC demeure le seul
matériau qui puisse répondre rapidement au besoin de l’électronique de puissance. On voit
que le GaN présente une figure de mérite JFM beaucoup plus important que celui du SiC. De
plus la possibilité de réaliser des transistors à haute mobilité électrique (HEMTs) à base de
GaN, permet d’atteindre des fréquences plus élevées que les MESFETs à base de SiC.
I.3 Les défauts dans le Carbure de Silicium (SiC).
Depuis la première mise sur le marché de substrats SiC, au début des années 1990, de
gros progrès ont été réalisés en termes de diamètre, de pureté et de qualité cristalline. Pourtant
aujourd’hui encore, la qualité des cristaux n’est pas encore satisfaisante. Les défauts du cristal
sont encore la raison principale du faible rendement de fabrication des composants. Les
diodes Schottky et les transistors MESFETs sont affectées par ces défauts.
I.3.1 Défauts étendus
I.3.1.1 Les micropipes
Ces défauts sont propres à la croissance du SiC selon la direction cristalline <c> ou
<0001>. Des améliorations du procédé de croissance ont permis de diminuer fortement leur
densité. Les micropipes ont la forme d'un tube creux traversant le cristal (figure I.5). Ils ont la
particularité de pouvoir atteindre de grands diamètres et être observés à l'aide d'un simple
microscope. Ils ont été révélés dans plusieurs matériaux cristallins (CdI2, PbI2, ZnS, mica,
couche minces de GaN et fréquemment dans le SiC). Plusieurs hypothèses ont été proposées
Tableau I-2 : Facteurs de mérites JMF, KMF et de BMF pour les principaux polytypes
de SiC comparés au Si, GaAs, GaN et le diamant [Chow’00].
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pour expliquer leur mécanisme de formation. Certaines évoquent les mécanismes qui génèrent
des dépressions dans la surface de croissance, d'autres évoquent les mécanismes qui génèrent
des dislocations avec de grands vecteurs de Burger [Weitzel’98].
Ces défauts sont extrêmement néfastes. Ils constituent des lieux privilégiés de
détérioration des composants [Powell’91]. Pour cette raison, les micropipes ont longtemps été
considérées comme le principal handicap pour la commercialisation de composant à base de
SiC. De nombreuses études [Neudeck’94] montrent le caractère destructif des micropipes
pour les diodes Schottky, avec une réduction d’un facteur 10 de la tenue en tension du contact
redresseur. Si on trouve un micropipe sur une zone active du composant, celle-ci peut
engendrer une destruction du composant (court circuit, coupure de la grille…).
Des nouveaux travaux ont montré que l’optimisation des conditions de croissance
permet de réduire la densité des micropipes [Kamata’03]. A l’heure actuelle, les meilleurs
résultats sont ceux annoncés par la société Américaine CREE qui produit des substrats 4H-
SiC de 50 mm de diamètre, avec une densité de micropipes qui ne dépasse pas 5 cm-2.
D’autres résultats meilleurs encore ont été démontrés par CREE sur des substrats de 75 mm
de diamètre [Tuominen’99].
Figure I.5. : Image SEM d’une région contenant une micropipe d’après [Junlin’05]
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Tout récemment, une équipe composée de chercheurs de TOYOTA et DENSO, au
Japon, a publié [Nakmura’04] des résultats spectaculaires grâce à un procédé de croissance
original. Celui-ci consiste à réaliser une croissance sur la face (11-20) pour éliminer les
micropipes, puis à partir de ce lingot de préparer un nouveau germe sur la face (1-100) pour
éliminer lors de la croissance les dislocations dans le plan de base.
I.3.1.2 Les dislocations
Dans le SiC comme dans les autres types de cristaux, il existe deux grandes familles
de dislocations : les dislocations « vis » et les dislocations « coin ». Le SiC présente une assez
forte densité des 2 types de dislocations, typiquement supérieure à 104 cm-2.
Les dislocations n’ont pas l’effet catastrophique des micropipes, en tous cas sur les
composants unipolaires. Le cas des composants bipolaires est moins sûr. Dans tous les cas,
une dislocation est une voie privilégiée de migration des impuretés, métalliques par exemple,
vers l’intérieur du cristal et la couche active du composant. Ce mécanisme de migration est
susceptible d’affecter la duré de vie des composants. Plusieurs équipes ont étudié la formation
des dislocations dans les cristaux SiC [Takashi’96, Dudley99, Sanchez’02]. Sanchez et al ont
montré une corrélation entre la vitesse de croissance, la formation de fautes d’empilement et
la densité de dislocation. Cette dernière diminue lorsque la vitesse de croissance diminue.
Donc afin d’améliorer la qualité cristalline du matériau et de réduire le nombre de dislocation
il est nécessaire d’optimiser les conditions de croissance.
Ces dernières années plusieurs équipes [Wahab’00a, Wahab’00b, Janzen’01,
Neudeck’98], se sont intéressé à l'étude des effets des dislocations sur les performances des
diodes 4H-SiC. La corrélation entre la diminution de la tension de claquage et l’augmentation
de la densité des dislocations a été démontrée. Neudeck et al [Neudeck’98] ont utilisé la
SWBXT (Synchroton White Beam X-ray Topography) afin de localiser les dislocations
présentes dans la zone active des diodes, (figure I.6). Grâce à la haute résolution spatiale de
cette technique, ils ont pu les localiser et les dénombrer et ont montré que la présence d’une
seule peut limiter la performance des dispositifs.
Chapitre I Généralités sur le Carbure de Silicium
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Les dislocations vis sont le 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. L’étude d’une diode Schottky 6H-SiC a montré que pour toute dislocation vis,
identifiée par SWBXT, correspondait un spot sombre indiquant un centre recombinant non
radiatif sur l’image EBIC [Schnabel’99].
I.3.1.3 Fautes d’empilement
Ces fautes d’empilements constituent des centres de recombinaison responsables de
la chute dramatique de la durée de vie des porteurs minoritaires et donc de l’augmentation de
la chute de tension en régime direct pour les diodes bipolaires [Bergman’01].
La création spontanée et la migration de fautes d’empilement en régime de
polarisation direct de composants bipolaires est accusée d’être à l’origine de la dégradation
observée des performances de ces types de composant.
Pour les composants unipolaires (les diodes Schottky et les transistors MESFET), il
n’a pas été rapporté de détériorations dues aux fautes d'empilement; ils sont tous réalisés sur
des surfaces parallèles aux plans de type <0001>. Ceci pourrait se produire sur des surfaces de
type <11-20> pour lesquelles le champ électrique serait parallèle au plan directeur des fautes
d’empilement qui pourraient devenir des sources de fuite [Tanaka’04]
Figure I. 6 : Image SWBXT en réflexion de deux diodes réalisées sur une épitaxie 4H-SiC a)diode A ne contient aucune dislocation. b) diode B contient une seule dislocation d’après Neudeck [Neudeck’98].
Chapitre I Généralités sur le Carbure de Silicium
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I.3.2 Défauts ponctuels et impuretés
Aujourd’hui encore, la qualité cristalline du matériau SiC est loin d’égaler celle du
Silicium ou du GaAs. Dans ce paragraphe, nous citons quelques centres d’impuretés qui sont
détectés par différentes méthodes de caractérisation.
I.3.2.1 Centres profonds liés à des impuretés
Le Tungstène (W) : Par des mesures DLTS, Achtziger a identifié un niveau d'énergie lié
au tungstène dans le 4H, 6H et le 15R-SiC avec des énergies d'activation respectives de
1.43eV, 1.16eV et 1.14eV au dessus de la bande de valence [Achtziger’98]. Un niveau
additionnel a été détecté sur le 4H-SiC avec une énergie d'activation de 0.17eV
[Achtziger’98].
Le Magnésium(Mg): Par des mesures DLTS Lebedev, a identifié après implantation du
magnésium dans le 6H-SiC type n, deux niveaux d'énergie d'activation 0.49eV et 0.45eV.
Après un recuit à 1600°C la concentration de ces deux niveaux diminue [Lebedev’98].
L'oxygène(O) : Lors du dopage du 4H-SiC avec de l'oxygène des travaux montrent la
présence de deux niveaux peu profonds d'énergies d'activation 0.3eV et 0.44eV et trois
niveaux profonds d'énergies d'activation 0.74eV, 0.9eV et 0.95eV, ces niveaux sont attribués
à la formation de complexes contenant l'atome d’oxygène [Lebedev’96].
Le Béryllium(Be) : Il a été observé dans le 6H-SiC types n et p à température ambiante
par la technique de photoluminescence avec un maximum qui varie de 1.85eV jusqu'à 2.1eV [Lebedev’96].
Le Molybdène(Mo) : Il a été montré sur des couches épitaxiées commercialisées par
CREE que le molybdène occupe le site Si dans le 6H-SiC [Lebedev’98].
Les niveaux profonds peuvent agir comme des pièges à électrons ou piège à trous ou
comme des centres de recombinaison qui contrôlent la durée de vie des porteurs. Les plus
fréquents des centres profonds rencontrés dans le SiC sont le Vanadium et le Titane. Par
ailleurs, des études ont aussi été réalisées sur le chrome, le manganèse, et le molybdène. Les
travaux de Maier et al sur du 6H-SiC par ESR (Electron Spin Resonnance) ont montré que le
vanadium : agissait comme un défaut profond amphotère [Dalibor’97]. Il se substitue au
silicium sur les divers sites de SiC et introduit deux niveaux :
• Un niveau accepteur lié aux configurations électronique V3+ (3d2)/V4+ (3d1) ≡A-/A0
• Un niveau donneur lié aux formes configurations électronique V4+(3d1)/V5+(3d0) ≡
D0/D+
Chapitre I Généralités sur le Carbure de Silicium
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Ci-dessous nous présenterons les divers travaux réalisés à ce jour pour situer les niveaux du
vanadium dans la bande interdite du SiC 4H (tableau I.3).
Energie (eV) σ(cm2) Méthode utilisée Référence
V dans 4H-SiC V4+/V5+ Ec-1,73 OAS
(Optical Admittance
Spectroscopy)
[Evwaraye’94]
V4+/V5+ Ev-+1,18 Effet Hall [Augustine’97] V4+/V3+ Ec-0,8 Effet Hall (dopé
V) [Jenny’96a]
V4+/V3+ Ec-0,806 1,8.10-16 DLTS (Nd-
Na∼1,5.1018 cm-3) [Jenny’96b]
V4+/V3+ Ec-0,97
Séparation des deux
sites de 40 meV
7,8.10-15 DLTS (Nd∼3.1015
cm-3, implantation
isotropes radioactifs)
[Achtziger’97]
[Achtziger’98]
V4+/V3+ Ec-0,88
Séparation des deux
sites de 35 meV
4.10-15 DLTS [Maier’92]
Tableau I.3: Récapitulatif des données concernant le Vanadium dans SiC
I.3.2.2 Niveaux profonds supposés d’origine intrinsèque
Dans ce paragraphe, le lecteur trouvera une synthèse bibliographique sur les niveaux
électroniques rencontrés dans la bande interdite du carbure de Silicium après implantation ou
irradiation (Tableau I.4).
I.3.2.3 Niveaux superficiels
Dans ce paragraphe nous décrirons les impuretés utilisées comme dopant dans le SiC :
l’Aluminium, l’Azote et le Bore.
L’aluminium : Il joue le rôle d’un accepteur dans le SiC, est souvent présent dans les
substrats en tant que contaminant. Il est aussi utilisé pour réaliser des couches de type p
par implantation. Son énergie de liaison dans SiC est peu sensible au polytype et aux
différents sites. Dans le tableau ci-dessous nous citons quelques données concernant
l’aluminium dans le SiC.
Chapitre I Généralités sur le Carbure de Silicium
24
Position énergétique (eV) Augmentation de la concentration du défaut après
A/D Références
Centre 6H-SiC 4H-SiC Implantation Irradiation 6H-SiC 4H-SiC
L EV + 0.24 Ev + 0.24 A [Heindel’97] [Dalibor’97]
I Ev + 0.53 Ev + 0.53 Al Particule α A [Heindel’97] [Augustine’9
8]
D Ev + 0.58 EV + 0.54 B Particule α A [Heindel’97] [Lebdev’96]
S EC-0.35 He+ Electrons D [Anikin’85]
(E1/E2) Ec-0.34/0.41 A [Anikin’89]
Z1/Z2 Ec-0.6/0.7
Ec-1.06
EC-0.6-0.68 [Zhang’89]
[Reynoso’95]
[Augustine’9
8]
EH4 EC-1.45 [Achtizer’97]
Complexe
A1/ défaut
intrinsèque
Ev +0.8 Neutron A [Konstantino’00]
R Ec-1.27 He+ Electron A [Kalabukhova’96]
RD Ec-0.43 RD5 Ec-0.89(RD1/2)
Ec-0.98(RD3)
Ec-1.49(RD4)
H+ sur Type n [Kalabukhova’96]
R* Ec-1.17 H+ + recuit
Sur type n
[Kalabukhova’96]
ID
Ec-0.27(ID5)
Ec-0.4(ID6)
EC-0.5(ID7)
Ec-0.16(ID1)
Ec-0.19(ID2)
Ec-0.26(ID3)
Ec-0.32(ID4)
Ec-0.44(ID8)
Ec-0.52(ID9)
V+
ou
Ti+
[Kalabukhova’96]
[Kalabukhova’96]
[Achtizer’97]
[Achtizer’97]
[Achtizer’97]
[Achtizer’97]
[Achtizer’97]
[Achtizer’97]
Z1/Z2* Ec-0.65/0.58 He+ + recuit
Sur type n
[Kalabukhova’96]
UD1
UD2
UD3
UD4
0,997
1,0136
1,0507
1,0539
PL [Magnusson’05]
Le Bore : Il joue le rôle d’un accepteur dans le SiC et se trouve fréquemment comme
contaminant dans les substrats.
Il existe en tant qu’accepteur léger mais il forme aussi un complexe noté D (bore/lacune de
carbone qui agit comme un piège à trou [Suttrop’92].
Tableau I.4 : Paramètres et propriétés de quelques centres profonds dans le 6H et 4H-SiC.
Chapitre I Généralités sur le Carbure de Silicium
25
Tableau I.5 : Récapitulatif des données concernant l’aluminium dans SiC.
Tableau I.6: Récapitulatif des données concernant le Bore dans SiC
ET-EV (eV) σ (cm2) Méthode utilisée Référence Al dans 4H-SiC 0.191 PL [Ikeda’80a] 0.2 PL [Haberstroh’94] 0.229 DLTS [Kuznetsov’94] 0.05/0.185 TL [Stisany’95] Al dans 6H-SiC 0.239 ; 0.2485 PL [Ikeda’79] 0.28 0.2. 10-14 DLTS [Anikin’85] 0.2 Effet Hall [Pensl’93] 0.2 PL [Ikeda’80b] 0.216 TL [Stisany’95] 0.21 Effet Hall [Stisany’95]
ET-EV (eV) σp(cm2) Méthode utilisée Référence B dans 4H-SiC
0.285 Effet Hall-Admittance [Troffer’78] Centre D dans
4H-SiC
0,44±0,04 DLTS B dans 6H-SiC
0,35 DLTS [Anikin’85] 0,3 Admittance [Suttrop’92] 0,3 DLTS,PL [Pensl’93] 0,35 OAS [Hagen’73] 0,39 TSC [Götz’93] 0,3-0,4 IR [Kimoto’96] 0,3-0,39 Effet Hall [Chen’97]
B(h :site hexagonal) B(k1 :site cubique1) B(k2 :site cubique2)
0,27 0,31 0,37
Admittance (Nd-Na∼3.1016 à 1018
cm-3)
[Evwaraye’97]
Centre D dans le 6H-SiC
0,63 0,71
1.10-14 3,6.10-14
DLTS [Anikin’85]
0,58 5±3.10-15 DLTS [Suttrop’90] 0,58 DLTS [Pensl’93] 0,58 1-3.10-14 DLTS [Mazzola’94] 0,75 OAS [Hagen’73]
Chapitre I Généralités sur le Carbure de Silicium
26
L’azote : Il joue le rôle d’un donneur dans le SiC. C’est un contaminant que l’on retrouve
dans tous les polytypes de SiC et c’est le dopant choisi pour réaliser des substrats ou des
couche épitaxies de type n. L’azote se substitue au carbone en site hexagonal et en site
cubique. Son énergie d’activation est naturellement sensible au polytype et au site sur
lequel il se trouve.
EC-ET(eV) σ(cm2) Méthode utilisée Référence N dans 4H-SiC N(h) N(k)
0.08 0.13
PL [Hagen’73]
N(h) N(k)
0.066 0.124
PL [Ikeda’80b]
N(h) N(k)
0.045 0.1
Effet Hall [Götz’93]
N(h) N(k)
0.052 0.0918
IR [Götz’93]
N(h) N(k)
0.045 0.1
Effet Hall [Pensl’93]
N(h) N(k)
0.0518 0.0914
IR [Troffer’78]
N(h) N(k)
0.04-0.05 0.109
Admittance (Nd-Na∼3.1015à 2.1016 cm-3)
[Kimoto’96]
N(h) N(k)
0.071 0.092
Théorie [Chen’97]
N dans 6H-SiC N(h) N(k1,k2)
0.1 0.15
PL [Hagen’73]
N(h) N(k1,k2)
0.1 0.155
PL [Ikeda’79] [Ikeda’80]
N(h) N(k1,k2)
0.0855 0.125
Effet Hall [Suttrop’90]
N(h) N(k1,k2)
0.085 0.125
Effet Hall [Götz’93]
N(h) N(k1) N(k2)
0.081 0.1376 0.1424
IR [Götz’93]
N(h) N(k1,k2)
0.084-0.1 0.125-0.150 0.07-0.092
Effet Hall [Pensl’93]
N(h) N(k1) N(k2)
0.081 0.1376 0.1424
IR [Pensl’93]
N(h) 0.08 Admittance (Nd-Na∼ 8,9.1017 cm-3)
[Evwaraye’94]N(k1,k2) 0.11 Admittance (Nd-Na∼ 5.1015 à
6,4.1017 cm-3) [Evwaraye’94]
N(h) N(k1,k2)
0.07 0.14
4.3.10-14 2.2.10-12
Admittance (Nd-Na∼1,3.1016 cm-3)
[Raynaud’94]
N(h) N(k1,k2)
0.072 0.130
2.10-12 1.10-11
Admittance (Nd-Na∼0,85 à 1,1.1017 cm-3)
[Saddow’95]
N(h) N(k1) N(k2)
0.19 0.797 1.089
Théorie [Chen’97]
Tableau I.7 : Récapitulatif des données concernant l’azote dans SiC
Chapitre I Généralités sur le Carbure de Silicium
27
I.4 DISPOSITIFS ELECTRONIQUES SUR CARBURE DE
SILICIUM
Pratiquement tous les types de dispositifs électroniques ont été réalisés sur SiC :
diodes PN, transistors bipolaires, transistors FETs, etc. Toutes ces réalisations ont permis de
vérifier que les potentialités du SiC sont effectivement utilisables dans différents types de
dispositifs électroniques et permettent d’aller au-delà des limites des dispositifs sur Silicium
et Arséniure de Gallium.
I.4.1 Les diodes bipolaires en SiC
La diode bipolaire en SiC-4H possédant la tenue en tension la plus élevée (19 kV), a
été réalisée par Sugawara et Takayama [Sugawara’00a]. Sa structure est représentée sur la
(figures I.7a). Deux types de diodes sont fabriquées avec trois diamètres différents (200, 500,
1000 µm). La protection de cette diode est une combinaison entre le type MESA et JTE
(Junction Termination Extension) avec une longueur de poche égale à 500 µm. La densité de
courant en inverse notée JR, augmente lorsque la tension en inverse est supérieure à 6 kV pour
les deux types de diode. Des mesures de courant de fuite ont été réalisées et mettent en
évidence une augmentation du courant pour une température supérieure à 250°C. En direct, la
tension de seuil diminue lorsque la température augmente. Des mesures de temps de
commutation de cette diode sont réalisées sous un courant de 100 mA pour une tension de
blocage de 400 V. Par rapport à une diode silicium (6 kV), le temps de commutation est
quatre fois plus faible pour la diode en SiC. A titre de comparaison, la tension de seuil d’une
diode en silicium pouvant supporter une tension de blocage égale à 14 kV serait égale à 25 V
[Sugawara’00a]. De plus, cette étude met en évidence le bon comportement en température
des diodes en carbure de silicium.
Chapitre I Généralités sur le Carbure de Silicium
28
I.4.2 La diode Schottky en SiC
En silicium, les diodes Schottky possèdent des tensions de blocage de l’ordre de 150 à
200 V, (tableau I-8). En SiC, les diodes Schottky sont essentiellement réalisés avec le
polytype SiC-4H avec du nickel comme métal. Le premier démonstrateur de diode Schottky a
été réalisé par Bhatnagar [Bhatnagar’92]. La tenue en tension était de 400 V pour une
épaisseur de couche égale à 10 µm dopée à 3.6 1016 cm-3. Cette diode n’avait pas de
protection périphérique. La diode Schottky possédant un courant en direct le plus élevé a été
développée par Singh [Singh’02]. En direct, la résistance spécifique est seulement de 7,4
mΩ.cm2, le courant maximal atteint est de 130 A pour une surface active de 0,64 cm2. La
tension de claquage est égale à 300 V. La couche épitaxiée de type N est dopée à 5x1015 cm-3
avec une épaisseur de 15 µm. De plus, une diode Schottky a été développée afin d’augmenter
la tenue en tension. Avec une couche épitaxiée de 100 µm d’épaisseur dopée à 7x1014 cm-3, la
tension de claquage est de 4500 V. Sous une densité de courant égale à 25 A·cm-2, la tension à
l’état passant est égale à 2,4 V. La protection périphérique de cette diode est réalisée par
implantation d’anneaux de garde en bore. La dose totale d’implantation est de 1013 cm-3.
En 2002, la société INFINEON a commercialisé des diodes Schottky caractérisées par une
tension de blocage de 600 V. Les calibres en courant sont de 6 ou 12 A [Infineon’04].
Aujourd’hui, il existe 5 fabricants de diodes Schottky en SiC (Infineon, APT, Fairchild,
Rockwell, CREE).
Figure I.7.a : coupe de la diode bipolaire en 4H-SiC protégée par MESA/JTE [Sugawara’00a]
Figure I.7.b : coupe d’une diode Schottky en 4H-SiC [Sugawara’00b]
Chapitre I Généralités sur le Carbure de Silicium
29
Tableau I.8 : Caractéristiques électriques de quelques diodes Schottky Si et SiC
I.4.3 La diode JBS (Junction Barrier Schottky)
Une idée originale a été de développer une diode combinant les avantages d’une diode
Schottky en direct (faible tension de seuil à l’état passant et peu de charges stockées) et d’une
diode bipolaire en inverse (tenue en tension élevée et faible courant de fuite). Ainsi, la
performance des diodes Schottky sera améliorée en régime bloqué [Baliga’92].
Alexandrov et Wright ont développé deux types de démonstrateurs pour des diodes MPS
(Merged Pn Schottky diode) [Alexandrov’01]. Elles présentent l’avantage d’avoir un courant
de 140 A sous une tension de 4 V en direct. En inverse, la tenue en tension obtenue est de 600
V. La protection périphérique est assurée par une MJTE (Multi-step Junction Termination
Extension). Les figures I8 et I9 illustrent une coupe des composants.
Nom Tension de blocage [V] Courant en direct [A]
I230 IXYS double diode Boîtier plastique [Ixys’04]
180
2 * 15 A
80cpq150 Boîtier plastique [Irf’04]
150
80
20sc60K APT SiC Boîtier plastique
[Advancedpower’04]
600
20
SCH 1200-785 SiC Boîtier plastique
[Rsc.rockwell’04]
1200
7,5
Figure I.8 : Structure diode MPS en SiC-4H [Alexandrov’01] protégée par MJTE
Chapitre I Généralités sur le Carbure de Silicium
30
Des mesures sont réalisées en commutation et comparées à une diode bipolaire en
silicium (600 V, 120 A, temps d’ouverture = 35 ns). La charge stockée dans la diode en
silicium est trois fois plus importante que dans la MPS (Merged Pn Schottky diode). De plus,
pour une élévation de température de 200°C, la charge stockée dans la diode silicium est
multipliée par cinq par rapport à sa charge à température ambiante alors que pour la diode en
carbure de silicium, elle reste sensiblement la même.
I.4.4 Les Transistors HBT
Le concept du transistor bipolaire à hétérojonction (HBT : Heterojunction Bipolar
Transistor) introduit en 1948 par les travaux de Schockley est basé sur le principe de
fonctionnement des transistors à jonctions classiques (BJT) (figure I.10). L’amélioration de
ses performances par rapport au BJT provient de l’utilisation d’une hétérojonction base-
émetteur.
Figure I.9 : Structure diode JBS en SiC-4H [Sugawara’00b]
Substrat semi-isolant GaAs
nGaAs Subcollecteur
Contacts ohmiques
nGaAs Collecteur
pGaAs Base nInGaP Emetteur nInGaAs ContactHétérojonction
Figure I.10 : Vue en coupe d’un transistor bipolaire à hétérojonction [Fazal'91].
Chapitre I Généralités sur le Carbure de Silicium
31
L’hétérojonction a pour particularité de présenter aux trous une barrière de potentiel
plus élevée qu’aux électrons. Ceci se traduit par une meilleure efficacité d’injection de
l’émetteur, autorisant un surdopage de la base, ce qui contribue à la diminution de la
résistance parasite de la base et à la possibilité de travailler à des fréquences élevées. Du fait
de sa structure verticale qui lui procure une isolation des jonctions de la surface et des
interfaces avec le substrat, le HBT est peu sensible aux effets de pièges [Fazal].
Pour augmenter le gain en courant d’un HBT type AlGaAs/GaAs, il faut augmenter le
dopage de l’émetteur et diminuer celui de la base. Dans ce cas, pour garder une résistance
parasite de base relativement faible, il est alors nécessaire d’augmenter la largeur de la base.
Mais ceci augmente le temps de transit des électrons dans la base et réduit ainsi les
potentialités de fonctionnement en hautes fréquences.
La solution réside donc également dans l’obtention de larges excursions en tension.
L’intérêt d’utiliser un matériau grand gap est de ce fait avéré. Il permet de réduire le ratio
dopage de l’émetteur/dopage de la base tout en maintenant un niveau de puissance important.
Par ailleurs, la forte conductivité thermique du SiC permet de gérer un des points les plus
sensibles dans les HBT, à savoir la dissipation de chaleur. Dans ce domaine, la réalisation
d’un HBT en technologie GaN/SiC est proposée par J. Pankove (figure I.11) [Pankove’94].
Le taux d’injection des porteurs de l’émetteur vers la base est toutefois pénalisé par
cette hétérostructure dégradant le gain en courant. Pour pouvoir concevoir des transistors
combinant la montée en fréquence et la montée en puissance, de nombreuses réalisations sont
aujourd’hui à l’étude [Estrada’03].
Contact de collecteur : Al/Cr
n SiC Collecteur
P SiC Base
Contact de base : Al/Cr
nGaN Emetteur
Contact d’émetteur : Al
Figure I.11 : Réalisation d’un HBT en technologie GaN/SiC [Pankove’94]
Chapitre I Généralités sur le Carbure de Silicium
32
I.4.5 Les transistors Bipolaires
Le transistor bipolaire est constitué de trois électrodes, émetteur, base et collecteur. Il
existe deux types de composants, NPN et PNP. Dans le domaine de la puissance, le modèle le
plus utilisé, en technologie silicium est le NPN. La conduction du transistor NPN est assurée
par les électrons or la mobilité des électrons est supérieure à celle des trous donc le transistor
NPN possède une chute de potentielle plus faible à l’état passant que le PNP. La figure I.12
montre le schéma de principe d’un transistor bipolaire NPN.
Ce composant est formé de deux jonctions PN. En régime bloqué, si la tension VCE est
positive, la jonction Collecteur/Base est en inverse et elle est optimisée de façon à supporter la
tension. Si un courant de base IB est appliqué positivement, la jonction Emetteur/Base se
polarise en direct. En régime linéaire ainsi l’émetteur injecte des porteurs minoritaires dans la
base. Le collecteur a pour rôle de collecter ces porteurs dans la base sous l’effet d’un fort
champ électrique (la jonction base-collecteur est polarisée en inverse).
Aujourd’hui, le transistor bipolaire n’est quasiment plus utilisé car d’un point de vue
de la commande, il n’est pas du tout avantageux. En effet, pour le mettre en conduction, il faut
appliquer un courant positif ou négatif selon le type NPN ou PNP. Pour qu’il reste
conducteur, il faut continuer à appliquer le courant de commande ce qui est très coûteux en
énergie. De plus, une commande en courant est beaucoup plus difficile à réaliser qu’une
commande en tension. Avec ces différents inconvénients, il devient de plus en plus difficile
de trouver dans le commerce des transistors bipolaires de puissance. Cette gamme de
composants a été détrônée par l’IGBT qui offre une commande moins coûteuse en énergie.
Un transistor bipolaire NPN, a été réalisé en SiC-4H [Tang’02]. L’originalité du transistor
repose sur le fait que l’émetteur est obtenu par implantation ionique de phosphore (figure
I.13). Les caractérisations électriques de ce démonstrateur montrent que le gain en courant
varie classiquement avec la valeur du courant de collecteur et la température du composant.
Figure I.12 : schéma de principe d’un transistor NPN vertical
Figure I.13 : Transistor bipolaire en SiC-4H réalisé par [Tang’02]
Chapitre I Généralités sur le Carbure de Silicium
33
Pour JCE égal à 20 A.cm-2, le gain passe de 8 à 3 lorsque la température varie de 25 à 250 °C.
En simulation, il est montré que VCE0 augmente lorsque l’épaisseur de la base augmente au
détriment du gain en courant. Un transistor bipolaire NPN a été conçu par Ryu [Ryu’01] en
SiC-4H. A partir d’un substrat de type N+, trois couches sont épitaxiées. La protection en
périphérie est de type mésa avec JTE. La dose totale de la poche est de 1,13×1013 cm-3. La
tension de claquage théorique uni-dimensionnelle est de 3,1 kV. Les premières
caractérisations électriques montrent que la tension de claquage du transistor est de 1,8 kV
(VCE0). La tension maximale collecteur base, l’émetteur étant ouvert, est égale à 2,2 kV
(VCB0). La résistance à l’état passant est égale à 10,8 mΩ.cm pour une tension VCE égale à 2V.
Ce transistor bipolaire est parmi ceux dont la tenue en tension est l’une des plus élevée.
I.4.6 L’IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
L’IGBT est l’un des composants en électronique de puissance le plus utilisé
actuellement. Il est présent dans les domaines de moyenne et forte puissance. Il offre de bons
compromis car il possède la rapidité d’un transistor MOSFET et un niveau de courant élevé
grâce à l’injection de porteurs minoritaires. Des recherches avec du silicium sont développées
sur la montée en tension. Il existe deux types de structures différentes. Une première structure
existe, elle est nommée PT (punch through). Le composant est élaboré à partir d’un substrat
de type P sur lequel deux couches sont épitaxiées, une de type N+ servant de couche tampon
et l’autre très épaisse, de type N, utilisée pour la tenue en tension. Un second principe est
développé autour d’une plaquette de type N, l’émetteur en face arrière est obtenu en
implantant des ions Al+ ou B+, le porte canal et le collecteur sont obtenus de même par
implantation et diffusion, (figures I.14a,14.b). Pour les 2 cas représentés ci-dessous, les
couches de type N- n’ont pas la même épaisseur (3 fois plus faible pour l’IGBT PT) pour une
tension de blocage donnée.
Chapitre I Généralités sur le Carbure de Silicium
34
Un IGBT en SiC-6H a été élaboré sur une plaquette de type N [Ryu’00]. La surface
active est égale à 0,02 cm2. En périphérie, la structure est de type MESA avec une protection
par poche. La structure, en inverse, supporte des tensions allant jusqu’à 380 V. La valeur de la
résistance RDson peut varier très fortement avec la température. Elle passe de 80 mΩ·cm² pour
T=400°C à 430 mΩ·cm² pour T=30 °C. En direct, le courant de collecteur est égal à 2 A sous
VCE = -10 V avec VGE = -30 V. Un second IGBT est développé en SiC-4H [Singh’99]. Sa
structure est de type UMOS avec un canal P. Cette architecture permet une meilleure densité
d’intégration du composant sur la plaquette par rapport à d’autres possibilités (par exemple la
structure latérale). Des caractérisations électriques en température montrent que la résistance à
l’état passant diminue lorsque la température augmente. En direct, le courant peut atteindre
1,5 A sous une chute de potentiel de 15 V, pour une tension de commande de –36 V. En
inverse, la tension de claquage est seulement de 85 V comparée à 790 V pour une diode
bipolaire réalisée sur la même plaquette.
I.4.7 Le thyristor GTO (Gate turn-off thyristor)
J.B. Fedison et T.P. Chow [Fedison’01] ont fait varier la forme des doigts d’anode et
de gâchette. Ainsi, l’influence de la géométrie des électrodes sur l’ouverture peut être
illustrée. Le temps d’ouverture du thyristor est plus élevé. Le temps de mise en conduction est
plus court pour le type de doigt, car l’écartement des doigts est constant. Un thyristor GTO
asymétrique a été conçu par S.H. Ryu [Ryu’01] en SiC-4H. La structure représentée sur la
figure I.15 est protégée par une gravure et une poche (mesa/JTE). La surface totale du
composant est de 4 mm². Sous une chute de potentiel de 4,97 V en direct, il laisse passer un
courant de 12 A. En direct bloqué, il tient une tension de 3,1 kV. Un montage expérimental
est développé pour commander à la fermeture le GTO avec un générateur d’impulsions
délivrant un courant de 6 A dans la gâchette pendant des durées de 12 µs. Le temps de
blocage est estimé à 500 ns et le gain en courant du turn-off est égal à 3,3. Ces résultats
Figure I.12.a : structure IGBT NPT
Figure I.12.b: structure IGBT Punch Through
Chapitre I Généralités sur le Carbure de Silicium
35
montrent que ce thyristor a un régime de blocage avec une tension 3100 V et commute avec
des temps de 500 ns.
Des thyristors en carbure de silicium (figure I.16) ont été réalisés sur deux plaques différentes
[Campen’03]. Ces deux plaques ont subi le même déroulement technologique en même
temps. Un morceau de la plaque 2 a été découpé afin de réaliser une protection de type
anneaux implantés. Les résultats électriques montrent que la protection mesa/JTE est plus
efficace que les anneaux implantés car la tenue en tension passe de 4090 à 5760 V. Pour la
plaque 1, la tenue en tension des thyristors est égale à 4020 V alors qu’en simulation la
tension de blocage de la jonction semi plane infinie est de 6,13 kV. Avec la même protection
et la même surface de composant, la tension est égale à 7040 V pour la plaque 2. La surface
du composant joue un rôle sur la tenue en tension car un composant de 4 mm² possède une
tension de blocage de 5760 V alors que pour une surface de 0,25 mm², la tension est de
7040V. Ceci est due à la qualité du matériau car en terme d’inclusions de polytypes et
d’absence de matière (micropipes), le SiC connaît des densités de défauts [CREE’04] non
négligeables par rapport au Si. En mode passant, sous une tension VAK de 5V, la densité de
courant est supérieure à 1000 A.cm-2 pour un thyristor de 4 mm² de la plaque 2.
I.4.8 Les Transistors MOSFETs SiC.
Le MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) est le transistor
unipolaire (à porteurs majoritaires), le plus utilisé en électronique de puissance du fait qu’il
est normalement fermé. La figure I.17 illustre un MOSFET vertical en silicium.
Figure I.15 : Thyristor gravé en SiC-4H protection mesa et JTE [Ryu’01]
Figure I.16 : Thyristor gravé en SiC-4H protégé par mesa et JTE
Chapitre I Généralités sur le Carbure de Silicium
36
Si une tension Vds positive est appliquée à la structure, la jonction P+Ν est en inverse.
Pour mettre en conduction l’interrupteur, il suffit d’appliquer une tension Vgs positive. A
l’interface P/oxyde, dans le semiconducteur, une zone de porteurs minoritaires est créée
(appelée canal). Ainsi les charges créées sont des électrons. Le drain et la source se retrouvent
court-circuités par la grille. Le transistor est conducteur et la résistance du composant est
modulée par l’électrode de grille.
L’élaboration d’interrupteurs du type MOSFET en carbure de silicium connaît
quelques problèmes. L’interface semi-conducteur/oxyde présente des densités de défauts
élevées réduisant les performances électriques des transistors MOSFET (canal très résistif)
[Perret’03]. La mobilité des porteurs dans le canal est très réduite. De plus dans le SiC, la
structure MOSFET verticale « classique » en Si doit être adaptée aux exigences
technologiques du SiC en terme de profondeur de jonction. Or les coefficients de diffusion
des impuretés dopantes 10-4 cm2.s pour le bore et 10- 8 cm2.s pour l’aluminium ne permettent
pas la réalisation de zones dopées localement profondes par cette technique. De plus, la
Figure I.17 : Structure MOSFET Verticale en Si
Figure I.18 : LDMOSFET en SiC-4H
Figure I.19 : MOSFET en SiC-4H [Ryu’01]
Chapitre I Généralités sur le Carbure de Silicium
37
mobilité dans le canal est très faible, surtout pour le SiC-4H à température ambiante (4 à 5
cm²·V-1·s-1). Ces faibles valeurs sont dues aux charges à l’interface semiconducteur/oxyde.
Cependant, des travaux sont développés afin de rendre attractif le MOSFET en SiC. Spitz et
Melloch [Spitz’98] ont élaboré un démonstrateur de LDMOSFET en SiC-4H, (figure I.18).
Dans ce cas, l’épaisseur qui permet la tenue en tension est celle entre les plots P et N+
(anneau de garde), ici elle est égale à 35 µm. Ainsi la tension de claquage théorique peut être
égale à 4,5 kV. Des caractérisations électriques effectuées sous « Fluorinert » donnent une
tension maximale de blocage de 2,6 kV. La tension de seuil du transistor est égale à 6 V. En
mode passant, le courant est égal à 1µA sous une tension VDS de 20 V pour VGS égal à 24 V.
La résistance spécifique est ainsi égale à 200 mΩ.cm2.
Le transistor MOS SiC-4H possédant la tenue en tension la plus élevée a été réalisé sur
la base d’une structure DMOSFET [Ryu’04]. L’épitaxie permettant la tenue en tension est
dopée 6×1014 cm-3 sur une épaisseur de 115 µm. La tenue en tension maximale obtenue par
mesure est égale à 10 kV. La protection du composant est assurée par 3 poches. La
passivation du composant est réalisée à l’aide d’un dépôt de 1,5 µm de SiO2. L’épaisseur de
l’oxyde thermique de grille est égale à 80 nm. En conduction, pour une tension de commande
Vgs égale à 25 V, sous une tension Vds de 10 V, le courant est égal à 150 mA. La surface
active du composant est égale à 4,2×10-2 cm². Ainsi, le RDSon est égal à 7 Ω.cm2.
Des travaux sont réalisés pour tenter d’améliorer les mobilités dans le canal. Des
transistors MOSFET canal n sont fabriquées sur des couches de SiC-4H afin d’extraire la
mobilité des porteurs dans la zone d’inversion, (figure 19). Il a été montré que la face (Si ou
C) du SiC et le traitement thermique (température, durée, ambiance) jouent un rôle sur les
valeurs. En optimisant ces différents paramètres, une mobilité moyenne (entre mobilité du
canal et en dehors) a été mesurée et elle est égale à 127 cm².V-1.s-1 [Fukuda’04].
I.4.9 Les transistors JFET en SiC
Le JFET en SiC est un composant d’électronique de puissance plus avancé que le
MOSFET car la faible mobilité des porteurs dans le canal du MOSFET implique des
résistances en direct plus élevées que celle du JFET. Le JFET étant un transistor unipolaire,
les temps de commutation sont beaucoup plus faibles que ceux des transistors bipolaires. Par
contre, ce transistor est de type ″Normally-ON″ ce qui rend plus difficile à mettre en oeuvre
dans des applications telles que l’onduleur car à la mise sous tension tout (entrée et sortie) se
trouve court-circuité. H. Onose et A. Watanabe [Onose’02] ont développé un JFET en SiC-4H
vertical (figure I.20) dont les caissons de grille sont réalisés par implantation ionique.
Chapitre I Généralités sur le Carbure de Silicium
38
L’épaisseur de la couche épitaxiée de type N est égale à 20 µm et elle est dopée à 2,5×1015
cm-3. La tension de blocage est égale à 2000 V avec un courant de fuite de l’ordre de 2 mA.
La valeur de RDson diminue lorsque la dose d’implantation de la grille diminue et la largeur du
canal augmente. La valeur moyenne du RDSon est de 60 mΩ.cm2.
Un JFET a été réalisé sur du SiC-4H (Figure I.22) présentant des résistances
spécifiques faibles (21,5 mΩ·cm²) [Friedrichs’00]. La figure I.22 illustre la structure. Trois
lots sont réalisés avec différentes valeurs pour la couche épitaxiée n°1. La résistance RDson
varie de 21,5 mΩ·cm² à 24,5 mΩ·cm² à température ambiante (T=25°C). Plus la couche
épitaxiée n°1 est épaisse et peu dopée, plus la tension de claquage augmente.
J.H. Zhao et X. Li [Zhao’02] ont fabriqué un JFET vertical “normally-off“. Deux
paramètres sont optimisés, la hauteur du canal horizontal (h) et la largeur du canal vertical (d).
Ce JFET est basé sur un caisson de type P. Pour une largeur de 2,5 µm et une hauteur de 0,17
µm, la tension de blocage du système est de 1644 V à 300 K et de 1800 V à 600 K.
Figure I.22 : JFET en SiC-4H [Friedrichs’00]
Figure I.23: SIAFET SiC-4H [Sugawara’00]
Figure I.20 : Schéma d’un JFET en SiC-4H [Onose’02]
Figure I.21 : JFET vertical en SiC-4H [Zhao’02]
Chapitre I Généralités sur le Carbure de Silicium
39
Une structure originale telle que le SIAFET (Static Induction Injected Accumulated
FET) illustrée par la figure I.23 est développée sur du SiC-4H [Sugawara’00].
I.4.10 Les Transistors MESFETs SiC.
Le fonctionnement du MESFET est basé sur la modulation de l’épaisseur du canal
sous la grille. L’ensemble, constitué par la métallisation de grille et le semiconducteur (SC)
de type N au dessous de la grille, forme une jonction ou diode Schottky. La présence de ce
contact justifie la dénomination MESFET (MEtal Semiconducteur Field Effect Transistor).
La structure d'un transistor MESFET est représentée sur la figure I.24.
En partant du bas de la figure I.24, il apparaît tout d'abord un substrat mono cristallin
en SiC qui doit être le moins conducteur possible. Il ne joue aucun rôle électrique mais
constitue essentiellement un support mécanique pour le reste du composant. Sur ce substrat,
une fine couche active dopée N est insérée, soit par épitaxie, soit par implantation ionique.
Deux zones fortement dopées N+, l'une sous l'électrode de drain, l'autre sous l'électrode de
source sont rajoutées à la structure par une nouvelle implantation.
Elles permettent de réduire les résistances de contact, néfastes pour les performances du
composant. Les propriétés électriques de la structure sont généralement améliorées par la
présence d'une couche tampon faiblement dopée entre la couche active et le substrat. Son
épaisseur est de quelques microns. Elle évite la migration d'ions au niveau de l'interface et
préserve la valeur de la mobilité des porteurs dans cette région. Enfin, trois contacts par dépôt
de film métallique sous vide sont réalisés. Les deux extrêmes forment les électrodes de source
Figure I.24 : Vue en coupe d'un MESFET SiC
Chapitre I Généralités sur le Carbure de Silicium
40
et de drain. Le contact est de nature ohmique. Celui de l'électrode de grille est de type
Schottky.
De plus, sur la Figure I.24, les principales dimensions géométriques sont représentées.
La petite dimension de contact de grille Lg est appelée par convention longueur de grille du
transistor. Elle détermine en grande partie la fréquence maximale d'utilisation du transistor.
Pour les composants hyperfréquences elle est souvent inférieure à 1 µm. La deuxième
dimension est la largeur de grille W et elle rend compte de la taille du transistor. Sa dimension
typique est de l'ordre de 50 à 1000 fois celle de Lg. L'épaisseur « a » de la couche active est
généralement de 0.2 µm à 0.4 µm.
I.4.10.1 Etats de l’art sur les MESFETs SiC
Les premiers MESFETs ont été réalisés sur des substrats conducteurs de type 6H-SiC.
Ainsi, différentes équipes de recherche ont mis au point des transistors MESFETs 6H-SiC, en
particulier l’équipe de J. W. Palmour à CREE Research [Palmour’93]. Mais il s’est avéré qu’il
y avait une conduction parasite ce qui provoque l’apparition d’une capacité parasite au niveau
du substrat et par la suite des courants de fuite et des phénomènes de pertes sur les
caractéristique de sortie des MESFETs.. Par la suite, le polytype 4H-SiC est apparu plus
intéressant : en effet, ce polytype possède une mobilité dont la valeur est environ deux fois la
valeur de la mobilité du 6H-SiC. Dans le même temps CREE a développé la croissance de
substrats semi-isolants.
L’équipe de recherche de Charles Weitzel [Moore’97] en association avec John W.
Palmour de Cree Research à réussi à améliorer les performances hyperfréquences et en
puissance des transistors MESFETs 4H-SiC à substrat conducteur. La structure des transistors
MESFET 4H-SiC est la même que celle décrite sur la figure I.24. La figure I.25 représente les
performances RF de puissance de ce transistor.
Chapitre I Généralités sur le Carbure de Silicium
41
Jusqu’en 2000 les seuls substrats semi-isolants disponibles étaient des substrats
compensés par du Vanadium. Mais grâce à une collaboration étroite lors de projet européens
(JeSiCa TelSiC), Thales a pu disposer de substrats de haute pureté réalisés par HTCVD
[Kerlain’04].
En effet, le Vanadium est le premier élément qui permet d’obtenir un substrat semi-
isolant. En effet le vanadium est amphotère dans le 4H et le 6H-SiC c’est-à-dire il peut se
comporter comme un accepteur dans un matériau résiduel de type n (0.8-0.9eV) soit comme
donneur profond (1.5eV) dans un matériau résiduel de type p.
Par conséquent, des efforts apportés en vue d’améliorer les performances de ces
transistors reposent essentiellement sur la nécessité de réaliser des substrats de haute pureté
avec une distribution homogène d’impureté et d’un degré élevé de perfection structurale. Les
transistors MESFETs SiC mis au point par Cree Research sont destinés à des applications en
bande S (bande de fréquence qui s'étend de2GHz à 4GHz) (Figure I.26).
Figure I.25 : Caractéristiques en puissance d’un transistor MESFET SiC (0.7 µm × 332 µm) (Vds = 50 V, Ids = 40 mA)(f=850MHz) [Moore’97].
Chapitre I Généralités sur le Carbure de Silicium
42
Ces transistors fournissent une densité de puissance maximale de 4.6 W/mm à la fréquence de
3.5 GHz [Allen’99]. Une étude comparative effectuée par Cree des différentes technologies
en concurrence à un transistor délivrant 50W à 2GHz avec une température de socle de 85°C,
est représenté sur le tableau I-9. Les meilleures performances en hyperfréquence obtenues
jusqu'à aujourd’hui sont représentées dans le tableau I-10 (Cree.com) [Heckmann’03].
Tableau I.9: Comparaison des caractéristiques attendues pour SiC MESFETs face aux
technologies Silicium et GaAs (Cree.com).
SiC MESFET Si LDMOS GaAs MESFET
PAE % 50 35 50
RF power (W/mm) 2 (4) 0.4 1
Gain (dB) 10 10 12
Taille de la puce(mm) 1 (0.6) 3.1 1.4
Package (mm2) 200(120) 320 300
∆Température (°C) 35(76) 76 47
Figure I.26: Bandes de Fréquence
Chapitre I Généralités sur le Carbure de Silicium
43
Tableau I.10 : Les meilleures performances et hyperfréquence des transistors MESFETs SiC
(Cree.com) [Heckmann’03].
N.G1 : Northrop Grumann
GE2 : General Electric/ Lockheed Martin
En 2000 CREE a commencé la commercialisation des transistors MEFSETs avec des
performances inférieures à celles estimées au départ. Cette société est la seule pour l’instant
sur le marché. Le tableau I-11 nous donne quelques caractéristiques des quatre MESFETs
différents, disponibles maintenant sur le marché.
Référence du
Transistor
Gamme de
fréquence (GHz)
Puissance de
sortie (W)
Gain (dB) Tension de
fonctionnement (V)
CRF-5003 0.1-1 4 11 28-48
CRF-20010 Jusqu'à 4 12 12 28-48
CRF-27010 2.4-2.7 12 11 48
CRD-37010 3.4-3.7 12 10 48
Tableau I.11 : Quelques paramètres de 4 types de MESFETs commercialisés par CREE.
Fréquence(
GHz)
Type de
composant
Puissance
(W)
Taille
(mm)
Pulse/CW Densité de
Puissance
W/mm
Densité
de
courant
mA/mm
PAE Tension
d’alimentation
(V)
Gain
dB
origine
3.1 MESFET 80 48 CW 1.66 38% 58 7.6 Cree
9.6 MESFET 30.5 12 pulsé 2.54 7.6 Cree
1.3 SIT 268 60 4.46 120 N.G1
3.5 MESFET 1.3 0.25 CW 5.2 63% 50 11 Cree
3 0.25 7.2 48% 70 Cree
3 MESFET 48 8 6 45% 60 10 Cree
3.5 MESFET 36.3 pulsé 21% 55 6.5 Cree
1.8 MESFET 0.9 CW 2.8 300 54 Cree
2.1 MESFET 15 CW 0.83 30 Cree
3 SIT 38 pulsé 1.2 65 90 Cree
10 MESFET 1 0.25 CW 4.3 20% 60 9 Cree
0.5 MESFET 51 21.6 CW 2.65 220 63% 70 12 TRT
0.5 MESFET 62 21.6 pulsé 2.9 40% 50 19 GE2
Chapitre I Généralités sur le Carbure de Silicium
44
Nous constatons que la structure MESFET permet des applications jusqu'à la bande X
alors que la structure SIT (Static induction transistors) se limite à la bande L mais offre des
puissances extrêmement importantes. Les performances statiques des MESFETs SiC sont
liées principalement au dopage et à l’épaisseur du canal. La tension de claquage dépendant de
l’espacement entre grille et le drain ainsi qu’a des effets de surface [Pengelly’02]. Les SIT ont
des structures verticales contrairement aux structures MESFETs Figure I. 27 :
Les phénomènes de claquage en surface entre grille et drain n’apparaissent pas et
autorisent donc des tensions plus importantes. Par rapport au MESFET SiC où l’épaisseur du
canal est définie par épitaxie, le canal de ces composants est défini par gravure. Le canal étant
plus large, il est nécessaire d’en réduire le dopage. Technologiquement, la réalisation de
structure SIT est donc beaucoup plus délicate.
Des composants MESFETs de type démonstrateur possédant des performances inégalables
dans des technologies Si ou GaAs ont donc été réalisés. Toutefois, nous constatons que
lorsque la taille du composant augmente, afin d’obtenir des niveaux de puissance intéressant
(≥50W), la densité de puissance diminue. Nous notons également que les dispositifs
commercialisées par CREE présentent des caractéristiques bien inférieures à ce qui a été
annoncé. La passivation est l’étape clé pour les problèmes de fiabilité des composants. Nous
allons dans la suite présenter les effets parasites dû à la présence de centres profonds et de
défauts aux interfaces.
I.4.10.2 Les effets de pièges dans le substrat semi-isolant du MESFET SiC
Ces phénomènes ont des constantes de temps relativement importantes. Parmi ces
phénomènes nous citons ceux de ‘Self-backgating’, et de ‘gate-lag’.
Figure I. 27 : Topologies de transistors sur SiC : (a) MESFET, (b) SIT
Chapitre I Généralités sur le Carbure de Silicium
45
I.4.10.2.1 Effets de ‘Self-backgating’
Pour les MESFETs, ce phénomène (Figure I.28) est lié à la présence de pièges dans le
substrat semi-isolant ou à l’interface substrat/canal. Lors d’une variation rapide du champ
électrique entre le drain et la source, les électrons provenant du canal peuvent être piégés
rapidement dans le substrat. Le substrat proche du canal devient alors chargé négativement.
Ces électrons peuvent être ensuite re-émis avec des constantes de temps plus longues.
L’équilibrage des charges implique alors l’apparition d’une zone chargée positivement à
l’interface canal substrat dans le canal. Le canal est alors momentanément pincé par une
deuxième grille au niveau de cette interface d’où le terme de ‘self-back-gating’.
I.4.10.2.2 Effets de ‘ gate-lag ’.
Lorsque le canal passe rapidement d’un état pincé à un état ouvert, l’effet de ‘gate-lag’
induit un retard quand à la réponse en courant de drain. Ceci est dû aux phénomènes des
pièges présents dans la structure. En fonction de Vgs, certains pièges peuvent capturer ou
émettre des trous de manière transitoire avec une vitesse inférieure à la modulation de Vgs
induisant ainsi un comportement transitoire du courant de sortie.
I.4.10.3 Rôle de la passivation pour le SiC
La surface libre de SiC peut présenter une forte réactivité et les métallisations utilisées pour
la grille et le contact ohmique sont sensibles aux agressions du milieu ambiant. Donc pour le
protéger il est nécessaire de réaliser une passivation. En effet la passivation intervient
directement sur les caractéristiques du composant, en modifiant l’état électrique de la surface.
Figure I.28: Influence sur le courant de la capture des électrons dans des pièges de substrat
Chapitre I Généralités sur le Carbure de Silicium
46
Mais la passivation des composants basés sur des matériaux grands gaps comme le SiC
nécessite une étude approfondie. Suivant l’application et le matériau, une passivation
adéquate doit être mise au point, répondant aux besoins en termes de protection, fiabilité et
optimisation des performances du composant. En effet, si le matériau de choix reste le SiO2,
nous retrouvons ici le problème posé par la forte densité de pièges à l’interface qui limite la
mobilité du MOS SiC. Ces dernières années l’IEMN, en collaboration avec Thalès ont réalisé
une étude approfondie sur les problèmes de passivation des MESFETs SiC [Kerlain’04].
I.5 Conclusion
Il est aujourd’hui largement admis que les semi-conducteurs à large bande interdite et
en particulier le SiC vont permettre de repousser les frontières atteintes à ce jour dans le
domaine des composants électroniques. Pratiquement tous les types de composants ont été
réalisés à partir de ce matériau. On rencontre, en effet, aujourd’hui, des composants allant des
composants bipolaires aux transistors à effet de champ. Un autre caractère remarquable de ce
matériau réside dans les densités de puissances pouvant être mises en jeu.
Toutefois, la réalisation de composants hyperfréquence de puissance dans la filière
SiC n’est pas à l’heure actuelle suffisamment mature pour être développée industriellement.
Comme nous l’avons évoqué, ceci est du notamment à la présence de défauts électriquement
actifs dans les structures qui peuvent provenir aussi bien du matériau lui-même que des étapes
technologiques nécessaire à la réalisation du composant.
Nous nous attacherons dans la suite, à l’étude de certains dysfonctionnements mal
compris dans les MESFETs SiC et nous expliquerons leur origine à partir de l’état des centres
profonds déterminer dans les structures.
Nous présenterons également une étude similaire du composant concurrent, le HEMT
AlGaN/GaN.
Chapitre I Généralités sur le Carbure de Silicium
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