Etude du dopage par implantation ionique d'aluminium dans le carbure de silicium pour la réalisation de composants de puissance

par Mihai Bogdan Lazar

Thèse de doctorat en Génie électrique

Sous la direction de Jean-Pierre Chante et de Christophe Raynaud.


  • Résumé

    Afin de doper localement le carbure de silicium l’implantation ionique est la seule méthode utilisable à cause des faibles coefficients de diffusion thermique des impuretés dopantes. L’étude s’est portée sur la réalisation de couches de type p par implantation ionique d’aluminium en ayant comme objectif la réalisation de composants de puissance bipolaires. Suite aux analyses physico-chimiques (SIMS, RBS/C, XPS, AFM) et électriques (mesures quatre pointes directement sur les couches SiC ou effectuées sur des structures-test VdP et TLM) des couches implantées dans différentes conditions (température, dose), une configuration de recuit post-implantation a été mise au point. On préserve la dose de dopants implantés avec une faible redistribution (voire aucune) après le recuit, dépendante des paramètres d’implantation. L’analyse de la recristallisation montre une bonne récupération de l’état cristallin (équivalent à ceux des échantillons vierges) dans le cas où l’implantation ionique ne crée pas de couche amorphe, en s’effectuant soit à température élevée (300°C) soit à la température ambiante en restant en-dessous du seuil d’amorphisation. On élimine les couches amorphes par le recuit post-implantation, l’endommagement résiduel étant d’autant plus important que la couche amorphe initiale est profonde. L’activation électrique des dopants (leur mise en sites substitutionnels) augmente avec le temps et la température de recuit, une activation complète nécessite des températures de recuit proches de 1800°C avec une durée de 30 min. Cette étude a été validée par la réalisation de composants de puissance en SiC. Plusieurs lots de plaquettes avec des diodes bipolaires protégées par JTE ont été réalisés par implantation ionique d’Al pour l’émetteur et sa protection JTE. L’homogénéité et la reproductibilité des caractéristiques directes confirment la qualité de l’implantation ionique et surtout du recuit post-implantation. Un meilleur comportement sous polarisations directe et inverse est trouvé pour les diodes réalisées par implantation à 300°C, ce qui confirme une meilleure activation électrique des dopants implantés à température élevée, ainsi qu’une meilleure qualité cristalline des couches. Les diodes réalisées à température ambiante montrent cependant des caractéristiques assez proches de celles implantées à 300°C. Des densités de courant aussi élevées que 200 A. Cm-2 ont été obtenues pour une polarisation directe de 5V. La tenue en tension augmente avec la longueur des JTE ce qui montre le rôle bénéfique de cette protection. Le comportement électrique des diodes dépend de la taille de l’émetteur. La qualité des substrats SiC reste ainsi à améliorer. Des tenues en tension supérieures à 2 kV ont été obtenues.

  • Titre traduit

    = Aluminium ion implantation doping in silicon carbide study in order to realize power devices


  • Résumé

    In this work p-type SiC layers created by aluminium ion implantations are studied in order to realize silicon carbide power devices. Subsequently to physico-chemical (SIMS, RBS/C, XPS, AFM) and electrical analysis (four-points measurements directly on SiC layers or on VdP or TLM test-structures) on layers implanted in various conditions (temperature, dose), a post-implantation annealing configuration were achieved. The implanted doping dose is preserved with a weak redistribition (even without) after annealing, depending on ion implantation. The recrystallization analysis shows a good recovery of the crystalline state (equivalent to virgin samples) if amorphous layers are not created. Amorphous layers are eliminated by the post-implantation annealing. Electrical activation of dopants (their incorporation in substitutional lattice sites) increases when the annealing temperature or the annealing time increases, complete activation requires temperature annealing at about 1800°C for a 30 min duration. Several wafers with bipolar diodes were realized by Al ion implantation for the emitter and the JTE periphery protection. The homogeneity and the reproductibility of the characteristics under forward bias confirm the quality of the post-implantation annealing. A better behavior under forward and reverse bias is found for diodes realized by ion implantation at 300°C, confirming a better electric activation of dopants and a better crystalline quality of layers. 200 A cm-2 current density is found at a forward bias of 5 V. Blocking voltage capabilities under reverse bias increases with the length of the JTE. The electric behavior of diodes depends on the emitter size. Blocking voltage capabilities superior to 2kV were obtaines.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe sous forme papier

Informations

  • Détails : 1 vol.(219 p).
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p.209-217

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Institut national des sciences appliquées (Villeurbanne, Rhône). Service Commun de la Documentation Doc'INSA.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : C.83(2586)
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.