CHAPITRE I. La Passivation des Composants de Puissance
I.3. Couche de passivation : définition, rôle et cahier des charges
I.3.3. Répartition des lignes de champ électrique dans les composants en SiC polarisés en
diodes bipolaires PiN en 4H-SiC
I.3.3.1. Rappels sur la localisation des extrema de champ électrique
dans les composants
Les effets de bord (i.e. en périphérie de la jonction polarisée en inverse) réduisent la tenue en tension à des valeurs plus faibles que celle de la tension de claquage théorique calculée en volume. En effet, l'intensité du champ électrique se trouve augmentée en regard des courbures de jonction, ce qui précipite des claquages localisés, et la surface même du cristal offre la possibilité de contournement de la jonction par le milieu environnant.
Outre une réduction importante de la tension bloquée, les effets de bord favorisent les courants de fuite, et rendent fragiles les composants vis-à-vis des surcharges en tension. Afin de maîtriser ces effets négatifs, on a recours à différentes techniques de protection périphérique au niveau de la structure du composant et de sa surface. Les techniques de protection suivantes sont parmi les plus répandues : par mésa, par plaque de champ, par anneaux de garde, par JTE.[Baliga96]
L’extension de terminaison de jonction (JTE : Junction Termination Extension) est une technique de protection périphérique très fréquemment utilisée, en particulier dans le cas des composants en carbure de silicium, car elle est « planar » (i.e. laisse la surface du semi- conducteur plane) et offre une grande efficacité de protection (ce qui signifie que la valeur du rapport entre la tenue en tension du composant et la tenue en tension maximale en volume est grande). [Planson94] C’est sur ce cas précis que nous allons nous appuyer pour établir le cahier des charges de la couche de passivation pour un composant en SiC.
Figure I.11 - Localisation des extrema du champ électrique et profil de la zone de charge d’espace dans une
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Pour rappel, le principe de fonctionnement de la protection par JTE d’une jonction P+N repose sur une région (dite « poche »), située en périphérie de la jonction à « garder », dans laquelle on a introduit en moindre quantité le dopant P (i.e. région P-). La poche supporte alors latéralement une part notable de la tension appliquée en inverse en étirant l’extension de la zone de charge d’espace en surface du semi-conducteur (cf. Figure I.11). Ceci éloigne d'autant le seuil de tension de claquage localisé en périphérie. À l’aide de simulations par éléments finis de cette structure, on constate qu’elle entraîne l’existence de deux pics de champ localisés en surface : le premier se situe au droit de la courbure de la jonction principale, le second se situe à la périphérie extérieure de la poche. Lorsque la dose d’impuretés dopantes de la poche est optimale, les amplitudes de ces deux pics de champ sont équilibrées (égales) et la tenue en tension du composant est maximale et égale à environ 90% de la tenue en tension en volume. C’est ce que montre le paragraphe suivant, qui permettra aussi de quantifier ces extrema dans le cas particulier d’une diode en 4H-SiC.
I.3.3.2. Répartition des équipotentielles en l’absence de couche de
passivation
La répartition des lignes de champ à l’intérieur et à la surface des composants est généralement obtenue par simulation à l’aide de logiciels à éléments finis (e.g. MEDICI™, ISE TCAD™, etc.).
Grâce à une collaboration existant entre les laboratoires Laplace de Toulouse et Ampère de Lyon, des travaux précédents ont permis de définir les contraintes électriques sur des diodes bipolaire P+NN+ (ou PIN) en SiC-4H de 6 kV protégées par JTE. Ces dispositifs ont été réalisés au laboratoire Ampère et ont déjà été testés sans couche de passivation sous des atmosphères d’air, de gaz fluoré (SF6) et d’huile (galden) avec des tenues en tension
respectives de 2300, 3600 et 4800 V. [Raynaud04] Un des objectifs futurs de notre équipe sera de passiver ce type de composants à l’aide de matériaux isolants solides afin de vérifier les effets sur les caractéristiques électriques des diodes SiC (i.e. courants de fuite et tension de claquage).
Figure I.12 - Design optimisé des diodes P+NP+ en 4H-SiC de 6 kV avec JTE et sans passivation. [Locatelli03]
Epitaxie N : 40 µm, 1.2×1015 cm-3 Emetteur P+ implanté : 0.5 µm, 4×1019 cm-3 JTE P : 0.4 µm, 1×1013 cm-2 Rayon de l’anode : 92 µm Rayon de l’émetteur P+ : 125 µm Longueur L de la JTE : 250 µm
Marge latérale M de l’épitaxie N : 250 µm Largeur de la structure simulée : 565 µm
La Figure I.12 présente la structure correspondante, optimisée pour une tenue en tension de 6 kV, des diodes en 4H-SiC en l’absence de couche de passivation (air en surface : εr=1). [Locatelli03]
La FigureI.13 présente ainsi la répartition du champ électrique et les équipotentielles, obtenues par simulation (MEDICI™) à l’intérieur et à différentes altitudes au-dessus du semi- conducteur, la diode étant polarisée en inverse sous 5750 V (qui est la tension de claquage obtenue par simulation).
Figure I.13 - Répartition des lignes de champ à l’intérieur, à la surface et pour différentes altitudes au-dessus des
diodes P+NN+ en 4H-SiC de 6 kV non passivées et polarisées en inverse sous 5750 V. [Locatelli03]
Comme nous l’avons vu précédemment, les extrema de champ électrique, sur ces structures, sont localisés en périphérie de jonction (vers 120 µm) et de JTE (vers 370 µm). Les deux éléments importants à retenir sont que les valeurs des pics de champ obtenues sont de l’ordre de 3 MV.cm-1 d’une part, et que la répartition de ce champ est très non uniforme (i.e. pics de champ très localisés). Ainsi, la distance latérale le long de laquelle le champ est supérieur à 2 MV.cm-1 est de l’ordre de quelques 1 µm à 10 μm. Le champ demeure supérieur
0 100 200 300 400 500 104 105 106 107 C ham p é lectrique [V /cm ] Distance [µm] — : à l’intérieur du SiC — : à 50 nm au-dessus de la diode — : à 10 µm au-dessus de la diode Anode JTE
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à 1 MV.cm-1 sur environ 30 μm. Dans la direction verticale, nous pouvons noter également que le champ ne redevient inférieur à 1 MV.cm-1 (800 kV.cm-1 plus précisément sur la Figure I.13) qu’au-dessus d’une épaisseur d’air de 10 μm. La couche de passivation devra donc être capable de supporter de très forts champs électriques mais très localisés, et des valeurs de champ restant importantes sur des longueurs de l’ordre de quelques 10 μm.