Caractérisations des défauts profonds du SiC et pour l'optimisation des performances des composants haute tension

par Teng Zhang

Thèse de doctorat en Génie électrique

Sous la direction de Dominique Planson.

Soutenue le 13-12-2018

à Lyon , dans le cadre de École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon) , en partenariat avec Institut national des sciences appliquées de Lyon (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) , AMPERE - Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie Environnementale et Applications (Rhône) (laboratoire) , Ampère (laboratoire) et de Ampère, Département Méthodes pour l'Ingénierie des Systèmes (équipe de recherche) .

Le président du jury était Jean-Guy Tartarin.

Le jury était composé de Dominique Planson, Jean-Guy Tartarin, Jinshun Bi, Sandrine Juillaguet, Marie-Laure Locatelli, Christophe Raynaud.

Les rapporteurs étaient Jean-Guy Tartarin, Jinshun Bi.


  • Résumé

    En raison de l'attrait croissant pour les applications haute tension, haute tempé-rature et haute fréquence, le carbure de silicium (SiC) continue d'attirer l'attention du monde entier comme l'un des candidats les plus compétitifs pour remplacer le sili-cium dans le champ électrique de puissance. Entre-temps, il est important de carac-tériser les défauts des semi-conducteurs et d'évaluer leur influence sur les dispositifs de puissance puisqu'ils sont directement liés à la durée de vie du véhicule porteur. De plus, la fiabilité, qui est également affectée par les défauts, devient une question incontournable dans le domaine de l'électricité de puissance.Les défauts, y compris les défauts ponctuels et les défauts prolongés, peuvent introduire des niveaux d'énergie supplémentaires dans la bande passante du SiC en raison de divers métaux comme le Ti, le Fe ou le réseau imparfait lui-même. En tant que méthode de caractérisation des défauts largement utilisée, la spectroscopie à transitoires en profondeur (DLTS) est supérieure pour déterminer l'énergie d'activa-tion Ea , la section efficace de capture Sigma et la concentration des défauts Nt ainsi que le profil des défauts dans la région d'épuisement grâce à ses divers modes de test et son analyse numérique avancée. La détermination de la hauteur de la barrière Schottky (HBS) prête à confusion depuis longtemps. Outre les mesures expérimentales selon les caractéristiques I-V ou C-V, différents modèles ont été proposés, de la distribution gaussienne du HBS au modèle de fluctuation potentielle. Il s'est avéré que ces modèles sont reliés à l'aide d'une hauteur de barrière à bande plate Phi_BF . Le tracé de Richardson basé sur Phi_BF ainsi que le modèle de fluctuation potentielle deviennent un outil puissant pour la caractérisation HBS. Les HBSs avec différents contacts métalliques ont été caractéri-sés, et les diodes à barrières multiples sont vérifiées par différents modèles. Les défauts des électrons dans le SiC ont été étudiés avec des diodes Schottky et PiN, tandis que les défauts des trous ont été étudiés dans des conditions d'injec-tion forte sur des diodes PiN. 9 niveaux d'électrons et 4 niveaux de trous sont com-munément trouvés dans SiC-4H. Une relation linéaire entre le Ea extrait et le log(sigma) indique l'existence de la température intrinsèque de chaque défaut. Cependant, au-cune différence évidente n'a été constatée en ce qui concerne l'inhomogénéité de la barrière à l'oxyde d'éther ou le métal de contact. De plus, les pièges à électrons près de la surface et les charges positives fixes dans la couche d'oxyde ont été étudiés sur des MOSFET de puissance SiC par polarisation de porte à haute température (HTGB) et dose ionisante totale (TID) provoquées par irradiation. Un modèle HTGB-assist-TID a été établi afin d'ex-plain l'effet de synergie.

  • Titre traduit

    Deep levels characterizations in SiC to optimize high voltage devices


  • Résumé

    Due to the increasing appeal to the high voltage, high temperature and high fre-quency applications, Silicon Carbide (SiC) is continuing attracting world’s attention as one of the most competitive candidate for replacing silicon in power electric field. Meanwhile, it is important to characterize the defects in semiconductors and to in-vestigate their influences on power devices since they are directly linked to the car-rier lifetime. Moreover, reliability that is also affected by defects becomes an una-voidable issue now in power electrics. Defects, including point defects and extended defects, can introduce additional energy levels in the bandgap of SiC due to various metallic impurities such as Ti, Fe or intrinsic defects (vacancies, interstitial…) of the cristalline lattice itself. As one of the widely used defect characterization method, Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS) is superior in determining the activation energy Ea , capture cross section sigma and defect concentration Nt as well as the defect profile in the depletion region thanks to its diverse testing modes and advanced numerical analysis. Determination of Schottky Barrier Height (SBH) has been confusing for long time. Apart from experimental measurement according to I-V or C-V characteristics, various models from Gaussian distribution of SBH to potential fluctuation model have been put forward. Now it was found that these models are connected with the help of flat-band barrier height Phi_BF . The Richardson plot based on Phi_BF along with the potential fluctuation model becomes a powerful tool for SBH characterization. SBHs with different metal contacts were characterized, and the diodes with multi-barrier are verified by different models. Electron traps in SiC were studied in Schottky and PiN diodes, while hole traps were investigated under strong injection conditions in PiN diodes. 9 electron traps and 4 hole traps have been found in our samples of 4H-SiC. A linear relationship between the extracted Ea and log(sigma) indicates the existence of the intrinsic temper-ature of each defects. However, no obvious difference has been found related to ei-ther barrier inhomogeneity or contact metal. Furthermore, the electron traps near in-terface and fixed positive charges in the oxide layer were investigated on SiC power MOSFETs by High Temperature Gate Bias (HTGB) and Total Ionizing Dose (TID) caused by irradiation. An HTGB-assist-TID model was established in order to ex-plain the synergetic effect.


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