Les différentes structures

Le développement de ces composants a été jalonné de nombreuses évolutions

de la géométrie de ces structures. Nous tâcherons, ici, de rappeler, rapidement, les

grandes étapes de cette histoire mais également de décrire ce que pourrait être le

futur de ces composants commerciaux.

Les premiers MOSFETs de puissance en carbure de silicium sont apparus dès

1994[51]. À cette époque, les composants développés possédaient des structures

ver-ticales à grille en tranchée (UMOSFET), comme cela est présenté dans la figure1.14.

L’intérêt le plus évident de cette structure est qu’elle autorise la formation des zones

de source et de base par épitaxie et non pas par implantation ionique, ce qui permet

de s’affranchir du recuit associé à haute température pouvant dégrader certains états

de surface.

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IGURE

1.14 – Vue en coupe schématique d’une structure MOSFET SiC vertical à grille en

tranchée [5]

Cependant, les premiers développements de structure à grille en tranchée ont fait

apparaître une forte limitation de la tenue en tension de ces dispositifs. En effet, la

présence d’un champ électrique important aux angles de la tranchée est susceptible

de provoquer un claquage localisé de l’oxyde de grille. Par conséquent, les premières

générations d’UMOSFET développées au début des années 90 étaient limitées à une

tenue en tension de 260 V [50].

Une solution plus simple pour s’affranchir du phénomène de claquage de l’oxyde

au niveau des angles de la tranchée a été de supprimer la structure de grille en

tran-chée elle-même. C’est donc pour ce motif qu’apparaissent, dès 1996, les premiers

MOSFET de puissance à grille dite plane. La figure1.15présente une vue en coupe

schématique d’un MOSFET en SiC à grille plane ou DMOSFET. Cette structure tire son

nom de la double implantation ionique nécessaire à la création des zones de canal et

de source, respectivement dopées p et n+. Cette nouvelle structure de MOSFET a

per-mis d’augmenter significativement la tenue en tension à l’état bloqué. À l’époque, les

calibres en tension ont ainsi pu être multipliés par un facteur trois environ en passant

de la structure UMOSFET à la structure DMOSFET et atteindre 760 V [69].

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IGURE

1.15 – Vue en coupe schématique d’une structure MOSFET "planar" à double

implan-tation [64]

Pour le carbure de silicium, l’utilisation de la technique de diffusion est

impos-sible. Il est donc nécessaire de former la région de source par implantation ionique

suivie d’un recuit d’activation à une température comprise entre 1600 et 1700^oC.

La mise en œuvre de cette technique de dopage a des conséquences sur l’état de

surface du semiconducteur et donc sur la qualité du canal de conduction. La faiblesse

de la mobilité des porteurs dans le canal des DMOSFET SiC a donné lieu à de

nom-breux travaux visant à en comprendre les causes [70,71] et à résoudre ce problème

[6,58].

Entre la fin des années 90 et le début des années 2000, des travaux ont également

été menés, par différents groupes, afin d’améliorer la tenue en tension [61,63,65]. Des

structures capables de supporter jusqu’à 10 kV ont été proposées [15,64]. Tous ces

efforts ont permis l’arrivée sur le marché en 2011 de MOSFET en SiC dans la gamme

600/1200V pouvant conduire un courant jusqu’à 60A [62].

Dans le même temps, tout espoir de développer des composants UMOSFET

ca-pables de bloquer des niveaux de tension élevés n’a pas été abandonné. En effet, dès

1998, l’Université de Purdue [72] a proposé une structure à grille en tranchée associée

à une zone dopée p, formée par implantation ionique, sous le fond de la tranchée

comme cela est présenté dans la figure1.16. Cette structure, connue sous le nom de

Bottom p-tell(BPW), est ramenée à la masse et protège ainsi l’oxyde d’un trop fort

champ électrique à l’état bloqué. Cette technique de protection de l’oxyde de grille

des MOSFETs en tranchée continue à faire l’objet de travaux de recherche mené

no-tamment par Mitsubishi Electric Corporation [30,73]

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IGURE

1.16 – Image au Miscrope Electronique à Balayage (MEB) d’un UMOSFET 4H-SiC avec

une zone "BPW" ramené à la masse [73]

Cette volonté de développer ce type de composants se justifie par la possibilité

d’obtenir une densité de cellules élémentaires plus importante que pour une

struc-ture DMOSFET. En outre, contrairement au MOSFETplanar, les composants en

tran-chés ne présentent pas de zone JFET, ce qui permet donc potentiellement

d’obte-nir des résistances spécifiques (R(on,sp)) plus faibles que pour les DMOSFET. Enfin,

les composants UMOSFET se différencient des DMOSFET par une meilleure mobilité

des porteurs dans le canal. En effet, le canal des structures UMOSFET se forme sur le

flanc de la tranchée. L’interface MOS est donc réalisée dans les plans〈1100〉ou〈1120〉

du cristal et non pas sur la face〈0001〉comme pour les structures à grille plane. Or un

certain nombre d’études tendent à montrer une meilleure mobilité des porteurs dans

le plan〈1120〉[35].

Plus récemment la société ROHM a présenté une solution qui consiste à

dévelop-per une structure dite à double tranchées, dans laquelle la grille et la zone de source

sont réalisées par des structures en tranchée comme cela est présenté dans la figure

1.17. Les résultats de simulation présentés ci-dessous mettent en évidence une

ré-duction du champ électrique sous l’oxyde et l’apparition d’un champ électrique plus

élevé sous les zones de source en tranchée [35,47]. Cette nouvelle structure est

pré-sentée par la société ROHM comme étant à la base de la 3^eme` génération de MOSFET

de puissance en carbure de silicium, disponible sur le marché en 2015.

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IGURE

1.17 – (a) Vue en coupe schématique d’un MOSFET 4H-SiC à double tranchées (b)

champ électrique dans la structure pour VDS=600 V et VGS=0 V [47].

Dans le document Contribution à l'étude de la fiabilité des MOSFETs en carbure de silicium (Page 34-38)