Défauts dans le 4H-SiC

Défauts dans le 4H-SiC étudiés par spectroscopie de photovoltage de surface - semi-conducteurs de puissance

Les dispositifs semi-conducteurs haute puissance et haute tension en carbure de silicium (SiC) ouvrent la voie non seulement aux chargeurs ultra-rapides et aux chargeurs embarqués pour véhicules électriques (VE), mais aussi aux chaînes cinématiques et aux convertisseurs de puissance destinés aux applications de traction telles que les métros légers, les tramways et les métros. Les applications de traction, ainsi que les entraînements de moteurs industriels, nécessitent des commutateurs à semi-conducteurs de puissance avec des tensions de blocage de 1 200 V, 1 700 V, 3 300 V ou même 4 500 V (6 500 V est encore à l'étude).

La fiabilité, la durée de vie et la sécurité des dispositifs semi-conducteurs haute puissance et haute tension sont les paramètres clés à maîtriser à l'heure actuelle, alors que les plaquettes de SiC de 150 mm disponibles dans le commerce souffrent encore de certains problèmes de qualité fondamentaux liés à des défauts dans la bande interdite du semi-conducteur SiC. Ces problèmes persisteront sur les plaquettes de SiC de 200 mm ; il est donc extrêmement important de pouvoir mesurer et rendre compte de l'état des défauts avant, pendant et après la fabrication des dispositifs.

L'outil SPVcheck, équipé de 3 sources de lumière UV dont les longueurs d'onde centrales sont de 355 nm, 365 nm et 450/660 nm, constitue la plateforme idéale pour la caractérisation des plaquettes de SiC épitaxiales, car il permet de vérifier le bord de la bande interdite de manière très élégante et rapide. La longueur d'onde de 450 nm ou 660 nm est utilisée comme mesure de référence de base, car l'énergie est trop faible pour exciter les porteurs dans le matériau SiC. Les sources de lumière UV de 355 nm et 365 nm sont appliquées simultanément à la plaquette de SiC épitaxiale, créant ainsi une large impulsion de forme carrée couvrant des énergies comprises entre 3,25 et 3,55 eV en une seule fois.

Le SPV transitoire est mesuré dans une plage de temps allant de 10 ns à 10 ms. Si la couche épitaxiale sur la plaquette de SiC présente trop de défauts, l'excitation des porteurs sera affaiblie et la variation du signal dans le temps sera plus faible. Une couche épitaxiale parfaite, en revanche, produira un signal de sortie plus élevé et, surtout, des pics de transition d'énergie nets dans la gamme des millisecondes.

Un autre avantage de l'impulsion d'énergie de type carré réside dans le fait que le coefficient d'absorption du SiC croît linéairement avec le carré de l'énergie et dépend fortement de la température. Par conséquent, en ajoutant un étage de température, la profondeur de pénétration de la lumière UV peut être modifiée sur une large plage. Il va de soi que les sources lumineuses de 355 nm et 365 nm n'ont pas besoin d'être activées simultanément : elles peuvent être activées et désactivées selon un schéma modulé avec une fréquence de commutation pouvant atteindre 1 kHz ou des cycles d'activation et de désactivation très longs.