Les diodes Schottky en SiC

Les diodes unipolaires à barrière Schottky (SBD : Schottky Barrier Diode) sont les premiers semi-conducteurs commercialisés en SiC. Les constructeurs ont commencé à en proposer à partir de 2001 avec une tenue en tension de 600V. Aujourd’hui, de nombreux constructeurs proposent des diodes Schottky en SiC. La plupart des constructeurs les commercialisent sous forme de puces, mais elles peuvent aussi être packagées (par exemple dans des boîtiers type « TO »), et il commence à y avoir des puces Schottky SiC dans des packs de puissance (par exemple dans des packs hybrides IGBT en Si et diodes Schottky en SiC).

Le Tableau 5 récapitule la liste des diodes Schottky en SiC (type « puces ») proposées par quelques constructeurs sur le marché en 2011, à partir des tenues en tensions de 600V (pour plus de détails, voir les sites internet respectifs des différents constructeurs).

Tableau 5 - Récapitulatif de diodes Schottky en SiC (type « puces ») proposées par quelques constructeurs sur le marché en 2011 (à partir des tenues en tensions de 600V) :

Tension de

claquage (V) ^{Courant en direct} If (A) ^{Tension en direct} Vf (V) ^{Courant de fuite} Ir (µA) ^Constructeur

600 1 à 20 1,5 à 1,8 20 à 200 Cree Research Inc.

600 4 à 8 1,5 à 1,7 2 à 200 Infineon

600 1 à 10 1 à 1,8 50 à 100 Microsemi

600 6 à 20 1,5 à 1,7 1,2 à 400 Rohm

650 4 à 10 1,5 à 1,8 12 à 220 Cree Research Inc.

1200 2 à 20 1,4 à 1,8 10 à 200 Cree Research Inc.

1200 1 à 10 1,6 à 1,7 5 à 40 GeneSiC Semiconductor 1200 1 à 5 1,2 à 1,8 50 à 100 Microsemi 1200 5 à 20 1,4 à 1,8 10 à 200 Rohm 1200 5 à 30 1,6 à 1,8 30 à 300 Semisouth 1800 1 2 10 GeneSiC Semiconductor 2000 1 2 10 GeneSiC Semiconductor 2400 0,3 1,9 1 GeneSiC Semiconductor

Il est important de noter qu’il existe d’autres constructeurs de diodes Schottky-SiC non présentés ici comme : APT, Fairchild et Rockwell qui ont aujourd’hui retiré ce type de produits de leurs catalogues.

La structure de la diode Schottky est basée sur une jonction métal (comme le Nickel) et semi-conducteur (comme le SiC), ce qui la rend plus simple que la diode PIN. La différence de concentrations en porteurs des deux matériaux crée une barrière de potentiel dans la jonction. De plus, l’aspect unipolaire évite l’injection de porteurs minoritaires responsable des courants inverses de recouvrement (pas de stockage de charges ou de recombinaison). Ainsi le temps de mise en conduction est presque nul et le temps de blocage est uniquement lié à la capacité parasite et non pas au temps de recombinaison des porteurs minoritaires. Les diodes Schottky sont donc des composants à privilégier pour des applications hautes fréquences. Avec l’augmentation des tenues de tensions des protections périphériques comme les JTE sont mises en place ou des anneaux de gardes dopés P peuvent être employés. La Figure 8 présente un exemple d’une vue de structure de diode Schottky de puissance en SiC avec protection par JTE.

Figure 8 - Vue d’une structure de diode Schottky de puissance en SiC avec protection par JTE, proposé par Brosselard [40].

En ce qui concerne les études sur les diodes Schottky en SiC, un des premiers démonstrateurs a été réalisé par Bhatnagar et al. en 1992 [41]. Il s’agit d’une diode tenant 400V pour une épaisseur de 10µm dopée 3,6x1016 cm-3 en SiC-6H, sans protection périphérique. Ensuite, la diode présentant les meilleures performances en direct a été réalisé par Singh et al. , en 2002, avec la société Cree Research Inc. [42]. Il s’agit d’une diode Schottky en SiC-4H dont le courant atteint 130A pour une résistance spécifique de 7,4mΩ.cm2 avec une surface active de 0,64cm2. La tenue en tension est de 300V. En 2003, Zhao et al. [43] présentent une diode Schottky en SiC-4H capable de tenir une tension de 10kV. Pour cela, la structure de la diode comporte un substrat N+ avec une première couche épitaxiée N

-dopée à 5,6x1014 cm-3 servant de couche de « drift » suivie d’une deuxième épitaxie N dopée à 2x1016

cm-3. Ensuite, des protections périphériques de type MJTE (Multi-step Junction Termination Extension) sont disposées, il s’agit de couche épitaxiée P+ qui ont nécessité une étape de gravure et une implantation ionique (voir Figure 9).

Figure 9 - Vue en coupe de la structure de diode Schottky SiC 10kV réalisé par Zhao et al. [43]

Anode

Cathode N+Substrate

N-Drift layer: N_drift P-JTE t_drift L_JTE Passivation t_drift Anode Cathode N+Substrate

N-Drift layer: N_drift P-JTE

t_drift L_JTE

Passivation

Le Tableau 6 récapitule quelques-unes des diodes Schottky en SiC qui ont été réalisées par des groupes de recherche et qui ont été présentées dans la littérature.

Tableau 6 - Diodes Schottky en SiC réalisées depuis 1992 : Année Auteurs et affiliations ^{Tenue en} tension

VBR (V) Caractéristiques en direct (@ RT) Couche de « drift » (µm / cm-3) et observations ^Référence 1992 Bhatnagar et al. 400 10 / 3,6x1016 [41]

1995 ^{Raghunathan et al. (Power} _{Semicond. Res. Center)} 1000 ^{RonS= 2mΩ.cm} 2 ; Vf=1,06V @

100A.cm-2 10 / 1x1016 [44]

1998 (Nanoelectronics ^{Saxena et al.}

Laboratory) ¹⁰⁰⁰

RonS= 8mΩ.cm2 ; Vf=1,8V @

100A.cm-2 10 / 6x1015 [45]

1998 Electr. Eng., Purdue Univ., ^{Schoen et al. (Sch. of}

West Lafayette, IN) ¹⁷²⁰

Vf=2V @ 100A.cm-2

(0,64cm2) ^{13 / 3,5x1015} [46]

1999

McGlothlin et al. (Dept. of Electr. & Comput. Eng.,

Purdue Univ., West Lafayette)

4000 RonS= 17mΩ.cm2 50 [25]

2002 _{(Cree Research Inc.}^{Singh et al.} ₎ 300

RonS= 7,4mΩ.cm2 ; If=130A ; Vf=3,17V

@ 100A.cm-2 (0,64cm2)

15 / 5x1015 [42]

2002 _{(Cree Research Inc.}^{Singh et al.} ₎ 4900 [42]

2003

Zhao et al. (Dept. of Electr. & Comput. Eng., Rutgers Univ., Piscataway,

NJ, USA) 10000 ^{Vf=11,75V @} _100A.cm-2 115 / 5,6x1014 (seconde couche épitaxie N : 0,4 / 2x1016 [43] 2005 Res. Inst. of Electr. Power ^{Nakamura et al. (Central}

Ind., Kanagawa, Japan) ^{4150 RonS= 9,07mΩ.cm}

2 33 [47]

2008 Nishio et al. (Toshiba) 2700 RonS= 2,57mΩ.cm2 [48]

2010 Kinoshita et al. (AIST) 1200 RonS= 2,5mΩ.cm2 [49]

2010 (University of Nottingham ^{Vassilevski et al.}

et Newcastle University) ^{4690 RonS= 10,5mΩ.cm}

2 34,5 / 2,2x1015 [50]

En plus, des études qui viennent d’être présentées sur la conception de diodes Schottky SiC nous pouvons aussi noter qu’il y a dans la littérature de nombreuses études visant à comparer les performances de ces diodes Schottky SiC par rapport aux diodes PIN en Si. Nous pouvons par exemple citer les études de Chang et al. [51] qui comparent les performances d’une diode Schottky SiC 1200V avec une diode PIN Si 1200V. Des études plus récentes, en 2005, de Jordà et al. [52] ont comparé aussi une diode Schottky SiC 1200V avec une diode PN équivalente en Si. Dans ces études, les avantages et limites de la diode Schottky ont été mis en avant. En effet, nous pouvons par exemple noter qu’à la température ambiante la chute de tension en conduction directe est plus faible pour la diode Schottky SiC que pour la diode PIN Si (à iso-densité de courant). En revanche, en température (150°C), la tendance s’inverse, la chute de tension de la diode Schottky SiC augmente (coefficient de température positif) et la chute de tension de la diode PIN Si diminue. D’autre part, en commutation, la diode Schottky SiC garde l’avantage sur la diode PIN SiC grâce à l’absence de porteurs minoritaires (pas de courant inverse de recouvrement) et cela même à température élevée, contrairement à la diode PIN Si qui voit son courant inverse de recouvrement augmenter avec la température. Par conséquent, d’après ces études, nous pouvons dire que les diodes Schottky SiC sont prometteuses et vont certainement remplacer dans certains cas des diodes PIN Si, ce qui se confirme par une commercialisation grandissante de ces composants.