Etude de l'impact des paramètres de protection périphérique et environnementaux de composants de puissance en carbure de silicium en vue de leur montée en tension

par Lumei Wei

Thèse de doctorat en Génie électrique

Sous la direction de Marie-Laure Locatelli et de Pierre Bidan.


  • Résumé

    Actuellement, la majorité des composants à semi-conducteur pour l'électronique de puissance est réalisée à partir de silicium. Afin de répondre aux nouvelles contraintes électriques et thermiques imposées par la montée en tension et en densité de puissance des convertisseurs d'énergie électrique, une solution repose sur l'emploi d'un semi-conducteur à large bande interdite tel que le carbure de silicium (SiC), du fait de son champ électrique critique (EC) environ dix fois plus élevé que celui du silicium et de sa capacité à fonctionner à des températures supérieures à 200 °C. Une revue des nombreuses publications concernant des diodes en SiC de tenue en tension élevée, voire leur disponibilité commerciale (jusqu'à 10 kV), est présentée, qui montre les progrès réalisés grâce aux efforts portés sur l'amélioration du matériau et l'optimisation de la protection périphérique des composants. L'étape de passivation primaire reste une étape critique très souvent mentionnée. Beaucoup moins de travaux prennent en considération l'impact des matériaux de passivation secondaire et d'encapsulation. L'objectif de cette thèse est de contribuer à une meilleure connaissance des paramètres et des mécanismes de rupture impactant la tenue en tension à l'état bloqué de l'ensemble que forment la puce et son l'environnement isolant électrique. Ainsi, une étude expérimentale de l'influence de différents paramètres liés au semi-conducteur ainsi qu'aux matériaux de passivation et d'encapsulation présents en surface de la puce a été menée, à l'aide de diodes en SiC-4H avec protection périphérique par poche implantée, réalisées par la société IBS, dans le cadre du projet de recherche 'FilSiC'. Dans un premier temps, une étude par simulation numérique de l'ensemble de la structure (SiC, électrodes métalliques, isolants) a été effectuée à l'aide du logiciel Sentaurus Device (Synopsys). Elle a permis de quantifier les contraintes en champ électrique dans toute la structure pour une tension appliquée donnée, et leur sensibilité aux caractéristiques des matériaux isolants prises en compte. Cette étude a également servi au choix des paramètres liés au substrat épitaxié et à la géométrie latérale et en surface des diodes (les paramètres technologiques étant fixés par ailleurs), pertinents pour l'étude expérimentale de leur tension de rupture, dans une gamme de 1 kV à 6 kV. En parallèle, la caractérisation électrique, au sein de structures Métal-Isolant-Semi-conducteur, du matériau de passivation primaire utilisé (dépôt épais de dioxyde de silicium), dans une gamme de température jusqu'à 300 °C, a permis de déterminer ses propriétés électriques, dont la rigidité diélectrique. Le travail a ensuite porté sur la caractérisation à température ambiante de la tension de rupture de la structure complète des différentes diodes fabriquées, effectuée sous vide et sous azote à la pression atmosphérique. Les comportements expérimentaux visualisés sous vide au moment du claquage, et couplés aux informations issues des simulations, ont notamment permis d'estimer les valeurs des champs maximaux induits dans les différents matériaux isolants, et de corréler leur impact avec les valeurs de rigidité diélectrique connues pour ces isolants. Les résultats complémentaires sous azote ont permis de confirmer certains paramètres technologiques et mécanismes mis en jeu lors du claquage des diodes d'autre part. Plusieurs conclusions utiles pour l'optimisation des paramètres technologiques (épitaxie et poche) et des couches isolantes de passivation et d'encapsulation (épaisseur, permittivité) de la diode 'haute tension' en SiC ont pu être dégagées de ces travaux.

  • Titre traduit

    Study of the Impact of the Peripheral Protection and of the Environmental Parameters on SiC Power Devices Performance for Higher Voltage Rating


  • Résumé

    Nowadays, most of the semiconductor devices used in power electronics are silicon (Si) based devices. In order to meet the new electrical and thermal constraints induced by the demand in rising both the operating voltage and the power density of the electrical energy converters, the use of wide band gap semiconductors such as silicon carbide (SiC) may represent an adequate solution, thanks to their critical electric field (EC) which is about ten times higher than that of Si and to their ability of operating at temperatures beyond 200 °C. A state-of-the-art on the readily (commercially) available high voltage SiC diodes (10kV or higher) is presented, highlighting the progress made in improving the materials themselves as well as their peripheral protection. However, regarding the die insulating materials, the studies mainly focus on the primary passivation step, which was often mentioned as the most critical one. Obviously much less work is carried out on the impact of the secondary passivation and encapsulation materials. The goal of this study is to contribute to a better knowledge of the mechanisms involved in the SiC chips and electrically insulating environment breakdown while in a blocking state, as well as to the identification of the most relevant parameters acting on these phenomena. Thus, a study of the correlated properties of the semiconductor and the passivation and encapsulation materials present on the surface of the chip was carried out on SiC-4H bipolar diodes protected by junction termination extension (JTE), supplied by IBS society, within the framework of the 'FilSiC' research project. First, a numerical simulation study of the entire structure (SiC and insulating materials) was carried out using the Sentaurus Device software (Synopsys). This allowed for quantifying the electric field stresses throughout the structure for a given applied voltage as well as their dependence on the properties of the considered insulating materials. This study was equally used for choosing the appropriate parameters of the epitaxial substrate and for designing the lateral and the surface geometry of the diodes (the technological parameters being fixed elsewhere), in view of the subsequent experimental study of their breakdown voltage in the 1kV-6kV range. Concurrently, the electrical characterization of the primary passivation material used (thick silicon dioxide layer) was performed by using MIS (metal-insulator-semiconductor) type structures, in a temperature range of up to 300 °C. This allowed to determine its main electrical properties, particularly the dielectric breakdown voltage. The work then focused on the room-temperature characterization of the breakdown voltage of the full structures built around the different manufactured diodes. The tests were carried out both under high vacuum conditions and under nitrogen at atmospheric pressure. The behavior of the different study cases observed under vacuum conditions during the breakdown, coupled with the simulation results, allowed to determine the values of the maximum electric fields induced in the different insulating materials and to correlate them to their known dielectric breakdown values. On the other hand, additional results obtained under nitrogen atmosphere confirmed some technological parameters and mechanisms at play during the breakdown of the diodes. Several guidelines for the optimization of these technological parameters (epitaxy and JTE) and of the insulating passivation and encapsulation layers (thickness, permittivity) of the "high voltage" SiC diode were derived from this study.


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Cette thèse a donné lieu à une publication en 2017 par Université Paul Sabatier [diffusion/distribution] à Toulouse

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Informations

  • Sous le titre : Etude de l'impact des paramètres de protection périphérique et environnementaux de composants de puissance en carbure de silicium en vue de leur montée en tension
  • Détails : 1 vol. (173 p.)
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