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1 - UN PEU D'HISTOIRE

2 - SIC OU NITRURES D'ÉLÉMENTS V ?

3 - MATÉRIAUX SIC

4 - TECHNOLOGIES DE MISE EN ŒUVRE

5 - APPLICATIONS

6 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : E1990 v2

SiC ou nitrures d'éléments V ?
Matériaux semiconducteurs à grand gap : le carbure de silicium (SiC)

Auteur(s) : Jean Camassel, Sylvie Contreras

Relu et validé le 04 déc. 2017

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RÉSUMÉ

D'une façon générale, le domaine d'application privilégié du carbure de silicium (SiC) est la distribution de l'énergie électrique avec une forte valeur ajoutée dans les composants de puissance. Les premières diodes Schottky 600 V sont apparues les premières sur le marché, suivies par des transistors MOS et JFET. Dans cet article, les différentes technologies de mises en œuvre (comme l’épitaxie, le dopage des couches, l’oxydation, la gravure ou encore le contactage) sont étudiées, l'état de l'art paru est également repris. L’article inclut de plus des applications électroniques récentes, comme la croissance de graphène sur SiC.

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ABSTRACT

Wide bandgap semi-conductors : the silicon carbide domain (SiC)

Generally the application given the most importance in the silicon carbide domain (CiC) is the distribution of electric distribution with high added value for power components. In 2002, the first 600V Schottky diodes were introduced on the market, followed in 2010 by a first generation of MOS and JFET transistors. In this article we start with a state-of-the-art paper published in 1998, however recent electronic applications are included such as the growth of graphene on SiC application.

Auteur(s)

  • Jean Camassel : Directeur de Recherche CNRS

  • Sylvie Contreras : Chargée de Recherche CNRS - Laboratoire Charles Coulomb UMR 5221 CNRS-UM2, Département Semiconducteurs, Matériaux et Capteurs, Université Montpellier 2

INTRODUCTION

En quelques années à peine, et à cause de la nécessité toujours plus impérieuse d'économiser l'énergie électrique, le carbure de silicium (SiC) est devenu un acteur majeur de la filière électronique. Ce semi-conducteur à large bande interdite possède en effet un champ de claquage élevé, une grande vitesse de saturation des électrons et une forte conductivité thermique. C'est cette combinaison unique de propriétés physiques exceptionnelles qui lui donne une excellente tenue en tension, conjuguée avec une excellente aptitude au passage des très fortes densités de courant. Si l'on y adjoint la possibilité de travailler à haute fréquence et à haute température, on comprend aisément que SiC soit un matériau parfaitement adapté à la réalisation des composants de puissance avec la distribution de l'énergie électrique comme domaine d'application privilégié.

Aujourd'hui les enjeux économiques sont clairement identifiés et on estime que, dans les années à venir, le carbure de silicium devrait progressivement remplacer le silicium pour tous les composants de puissance appelés à fonctionner au-delà de 1000 V. Son principal handicap est que, d'une façon générale, les substrats sont chers et les progrès nécessaires à leur développement sont lents. Néanmoins, des plaquettes de 3 et 4 in (7,5 et 10 cm) de diamètre sont disponibles chez plusieurs fabricants et des plaquettes prototypes de 6 in (15 cm) de diamètre ont été présentées. Sur ces substrats on sait, depuis plusieurs années déjà, relativement bien contrôler les technologies de dépôt en couches minces (épitaxie) et les technologies de dopage sélectif (dopage in situ ou dopage par implantation ionique). On peut ainsi contrôler de façon reproductible la concentration de porteurs dans plusieurs couches monocristallines successives et, de cette façon, poursuivre le développement d'une filière autonome de réalisation de composants. Reste à optimiser la technologie des contacts pour les applications haute température et la passivation (en particulier pour les applications de redressement très haute tension où il est nécessaire d'éviter la formation d'arcs électriques à l'extérieur de la jonction). Enfin, et d'une façon générale, l'encapsulation demeure un domaine peu exploré. À notre connaissance, il n'existe pas encore de boîtiers spécifiquement dédiés aux conditions de fonctionnement extrêmes.

La filière SiC apparaît donc comme le développement naturel des filières plus anciennes « silicium » et « arséniure de gallium ». C'est, de plus, une des (sinon la) solutions idéales pour réaliser des capteurs ou des dispositifs optoélectroniques (interrupteurs photoélectriques, par exemple) appelés à fonctionner à très haute température. À ce sujet on pourra utilement consulter plusieurs articles parus dans Techniques de l'Ingénieur qui passent successivement en revue l'état d'avancement de la filière ([RE3], [D3119] et [D3120], voir [Doc. E1990v3]).

Dans cet article, nous reprenons l'état de l'art de l'atricle précédent publié en 1998 en incluant des applications électroniques nouvelles, comme les résonateurs électromécaniques, les capteurs ou les pointes SiC pour les dispositifs à émission froide (cathodes à effet de champ). Enfin, nous donnons un aperçu rapide des applications de la croissance de graphène sur SiC.

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KEYWORDS

SiC semiconductor   |   SiC/Si sensors   |   graphene on SiC

VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-e1990


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2. SiC ou nitrures d'éléments V ?

Outre le SiC, une filière souvent citée pour les applications d'électronique de puissance est la filière des nitrures d'éléments V. Outre le nitrure de gallium (GaN) elle comprend les nitrures d'éléments associés (AlN et InN) et leurs alliages (AlGaN et InGaN). Dans cette filière, GaN est un semi-conducteur à gap direct qui, à ce titre, a depuis longtemps supplanté SiC pour toutes les applications d'émission bleue. Paradoxalement, on notera cependant que ce marché reste encore porteur pour SiC dont les substrats sont souvent utilisés pour améliorer le rendement des composants superbrillants.

Pour les applications d'électronique de puissance proprement dites, la filière GaN présente par contre trois inconvénients majeurs : i°) l'absence d'oxyde natif (qui pénalise la fabrication des dispositifs MOS) ; ii°) l'absence de substrats de GaN massif de grande dimension (qui limite l'épaisseur des couche actives à ~ 10 µm) et, en dernier lieu, iii°) une conductivité thermique très inférieure à celle de SiC (1,3 W/cm.K, à comparer avec 4,9 W/cm.K pour SiC). Ces deux dernières limitations sont importantes puisqu'elles permettent difficilement d'envisager des applications fonctionnant au-dessus de 1000 V ou à des températures excédant très fortement, et pendant longtemps, des valeurs moyennes de l'ordre de 300 °C .

Par contre, l'existence des semi-conducteurs voisins AlN et InN permet de réaliser des hétérojonctions, c'est-à-dire des dispositifs de type HEMT (High Electron Mobility Transistor), dans lesquelles, en termes de mobilité (et, donc, de fréquence de commutation), les propriétés du gaz électronique bidimensionnel obtenu sont bien supérieures à celles du matériau massif ...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - ROUND (H.J) -   À note on Carborundum.  -  Electrical World. Vol. 19, pp. 309-312 (1907)

  • (2) - L. BOUGUEN (L.), CONTRERAS (S.), JOUAULT (B.), KONCZEWICZ (L.), CAMASSEL (J.), CORDIER (Y.), AZIZE (M.), CHENOT (S.), BARON (N.) -   Investigation of AlGaN/AlN/GaN heterostructures for magnetic sensor application from liquid helium temperature to 300 oC  -  . Appl. Phys. Lett. 92, 043504 (2008)

  • (3) - KUZUHARA (M.) -   Next challenges in GaN HEMT electronics  -  . HETECH 2010-19th European Workshop on Heterostructure Technology, 18-20 October Crete-Greece (2010)

  • (4) - BERZELIUS (J.J.) -   Unterfuchungen über die Flufsfpathfäure und deren merkwürdigften Verbindungen  -  . Annalen der Physik und Chemie. Vol. 1, pp. 169-230 (1824)

  • (5) - ACHESON (E.G.) -   Production of artificial crystalline carbonaceous materials.  -  Brevet no US492767 (1892)

  • ...

DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES

1 Événements

International Conference on Silicon Carbide and Related Materials (ICSCRM) : Cette conférence internationale a lieu tous les deux ans (années impaires).

ICSCRM 2011 – September 11 – 16, 2011, Cleveland, Ohio, USA.

ICSCRM 2009 – October 11 – 16, 2009, Nürnberg, Germany.

European Conference on Silicon Carbide and Related Materials (ECSCRM) : Cette conférence européenne a lieu tous les deux ans (années paires) en alternance avec ICSCRM.

ECSCRM 2010 – August 29 – September 2, Oslo, Norway.

ECSCRM 2012 – September 2 – September 6, St Petersbourg, Russie.

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2 Annuaire

Cree Inc. : (http://www.cree.com/)

II-VI Inc. : (http://www.iiviwbg.com/)

Dow Corning Compound Semiconductor : (http://www.dowcorning.com/)

SiCrystal AG : (http://www.sicrystal.com/)

Norstel AB : (http://www.norstel.com/)

Rohm : http://www.rohm.com

Soitec : http://www.soitec.com

National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) : http://www.aist.go.jp/index_en.html

Nippon Steel Corporation : http://www.nsc.co.jp/en/index.html/

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