Etude des défauts électriquement actifs dans les composants hyperfréquences de puissance dans les

Gassoumi Malek

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Chapitre I Généralités sur le Carbure de Silicium Chapitre I : GENERALITES SUR LE CARBURE DE SILICIUM 9Chapitre I Généralités sur le Carbure de Silicium I.1 Introduction. La croissance importante du marché mondial des semiconducteurs est liée au fait que ces matériaux sont à l’origine de la révolution technologique de ces quarante dernières années dans le domaine de l’électronique. En effet, l’électronique représente à l’heure actuelle le marché mondial le plus important en volume ainsi que celui présentant la croissance la plus rapide. Le marché des semiconducteurs couvre des domaines industriels très divers tels que l‘informatique, l’automobile, les applications spatiales et militaires, sans oublier bien entendu son rôle prépondérant dans les télécommunications. Le matériau de base est le Silicium. De nombreuses raisons ont fait que le Silicium est devenu le matériau semiconducteur prédominant. Par exemple, le Silicium permet la réalisation de dispositifs électroniquement stables, qui supportent des températures jusqu'à 200°C. De plus, le Silicium est susceptible de former un oxyde SiO isolant et de grande 2stabilité chimique. Par contre, pour son usage en ...

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Chapitre I Généralités sur le Carbure de Silicium

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  Chapitre I : GENERALITES SUR LE CARBURE DE SILICIUM

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Chapitre I Généralités sur le Carbure de Silicium

I.1 Introduction. La croissance importante du marché mondial des semiconducteurs est liée au fait que ces matériaux sont à lorigine de la révolution technologique de ces quarante dernières années dans le domaine de lélectronique. En effet, lélectronique représente à lheure actuelle le marché mondial le plus important en volume ainsi que celui présentant la croissance la plus rapide. Le marché des semiconducteurs couvre des domaines industriels très divers tels que linformatique, lautomobile, les applications spatiales et militaires, sans oublier bien entendu son rôle prépondérant dans les télécommunications. Le matériau de base est le Silicium. De nombreuses raisons ont fait que le Silicium est devenu le matériau semiconducteur prédominant. Par exemple, le Silicium permet la réalisation de dispositifs électroniquement stables, qui supportent des températures jusqu'à 200°C. De plus, le Silicium est susceptible de former un oxyde SiO 2  isolant et de grande stabilité chimique. Par contre, pour son usage en électronique rapide et en optoélectronique, les propriétés du silicium sont insuffisantes. La mobilité des porteurs est relativement faible par rapport aux matériaux III-V, et son gap est indirect. Lénergie de bande interdite de 1,12eV et le champ de claquage de 0,3 MV.cm -1 limitent également les applications en électronique de puissance. Aujourdhui, les semi-conducteurs à large bande interdite sont les candidats idéaux pour réaliser un nouveau saut technologique. Leurs propriétés physiques (champ électrique de claquage, vitesse de saturation, conductivité thermique) en font des matériaux sans concurrents pour un grand nombre dapplications de forte puissance à haute fréquence et à haute température. Les semi-conducteurs à grande bande interdite permettent détendre lutilisation des dispositifs électroniques dans le domaine des hautes températures, du fait de leur grande bande interdite, et des fortes puissances, du fait du fort champ électrique de claquage. Dans cette classe de matériaux, le diamant présente des propriétés exceptionnelles : bande interdite très large (5.45 eV), mobilité importante des deux types de porteurs (µ n = 2200 cm 2 /V.s et µ p = 1600 cm 2 /V.s à 300 K, sans dopage intentionnel), une transparence optique des micro-ondes à lultraviolet, une très grande conductivité thermique et il est inerte chimiquement. Sa synthèse récente à basse température (800-900°C) et basse pression (20 à 80 Torr) en couches minces permet de commencer son exploitation. Elle reste encore limitée par la taille des substrats (7×7 mm 2 ) [ Siriex00 ],  et une connaissance insuffisante des caractéristiques des défauts et du dopage de type n, pour les couches homoépitaxiales. Les avancées portent actuellement sur les couches polycristallines épaisses ou minces, dopées

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avec du bore ou non, et leur utilisation comme cathode froide (écrans plats, électrolyse) ou capteurs (de photons UV, de température, de pression). Ces utilisations sont moins exigeantes que la microélectronique sur la « qualité » des couches. La progression sur ces deux classes dapplications nécessite un approfondissement des études de base sur le matériau, passant par de nouveaux concepts en raison de ses particularités (interactions inédites porteurs - réseau - défauts dues aux distances inter-atomiques très courtes, aux fréquences de phonons élevées, et à des énergies dionisation des dopants intermédiaires entre niveaux peu profonds et profonds). Au niveau international, les japonais, les américains, les anglais, les allemands et les russes sont les plus actifs ; par exemple aujourdhui dans le domaine du nucléaire on utilise des diamants polycristallins pour les détecteurs de rayonnements   .]er[B99onzgo Parmi les semiconducteurs à large bande interdite, les nitrures déléments III (GaN, AlGaN) possèdent des propriétés électroniques particulièrement intéressantes pour les applications hyperfréquences [Mishra98]. La vitesse maximum des électrons (2.7×10 7 m/s pour du GaN en structure hexagonale) est supérieure à celle de larséniure de gallium. Par ailleurs, leur largeur de bande interdite élevée (3.4 eV pour le GaN) et le fort champ électrique de claquage de 3.5×10 6 V/cm [Gelmont93]  permettent un fonctionnement en puissance et à haute température. De plus, un avantage très grand réside dans la possibilité de réaliser des hétérostructures AlGaN/GaN avec de fortes mobilités électroniques de lordre de 1500 cm 2 .V -1 .s -1 . Enfin, leur grande stabilité chimique leur assure une excellente résistance aux conditions extrêmes. Le carbure de silicium est parmi ces semiconducteurs celui qui est connu depuis le plus longtemps. En effet, cest en 1824 que le scientifique suédois Jöns Jacob Berzelius découvrit le Carbure de Silicium, alors même quil essayait de synthétiser du diamant. Le carbure de silicium (SiC) est un cristal semiconducteur à grand gap dont les propriétés physiques et électriques sont très intéressantes pour de nombreuses applications. En effet, en 1907, un ingénieur anglais, Henry Joseph Round, constate que lorsquun courant électrique circule dans un morceau de Carbure de Silicium, celui-ci émet de la lumière [Round'07]. Mais il faudra attendre 1979 pour que la première diode électroluminescente en Carbure de Silicium émettant dans le bleu soit réalisée. Dès les années 60 et 70, le développement du SiC en tant que matériau semi-conducteur est lié aux progrès réalisés dans le domaine de la croissance de substrats de bonne qualité et lutilisation de nouvelles techniques dépitaxie pour faire croître des couches actives n et p. Actuellement, le Carbure de Silicium est le semi- conducteur à grande bande interdite dont on maîtrise le mieux la cristallogenèse et la

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technologie de réalisation des dispositifs électroniques. En effet, les étapes technologiques pour le SiC sont relativement proches de celles utilisées dans la technologie du Si. De plus le SiC possède, comme le Silicium, limmense avantage de soxyder pour former du SiO 2 . Ce chapitre traitera principalement des caractéristiques physiques du Carbure de Silicium et de ses principales applications dans le domaine de la microélectronique. Nous donnerons également une revue des principaux défauts électriquement actifs observés dans le SiC jusquà présent. 

I.2 Propriétés et applications du SiC

I.2.1 Polymorphisme du Carbure de Silicium Le carbure de Silicium appartient à une famille de composés chimiques particulière qui présente un polymorphisme à une dimension [Morkoc94] appelé allotropie. Revenons brièvement sur la définition de ces deux termes. Tout dabord, le polymorphisme est le terme employé pour désigner la possibilité pour un composé chimique de cristalliser sous différentes formes minéralogiques. Ainsi, le Carbonates de Calcium CaCO 3 car il peut exister sous une forme  dimorphe »est dit « rhomboédrique, la calcite, ou sous forme orthorhombique, laragonite (du nom de la province d'Espagne où il a été observé). Le polymorphisme ne nécessite pas forcément un changement de système cristallin : le bioxyde de titane TiO 2  possède deux formes dans le système quadratique, celle du rutile et celle de lanatase mais il se présente également sous une troisième forme, la brookite du système orthorhombique, cest donc un composé « trimorphe ». Chaque forme possédant son domaine de stabilité propre, le polymorphisme est largement utilisé pour définir les conditions de genèse qui président lapparition dun minéral (par exemple, le cas de la silice). Lallotropie est la propriété de certains corps purs à se présenter sous différentes formes cristallographiques. Les formes allotropiques dun corps peuvent présenter les propriétés physiques très différentes. La différence entre les propriétés physiques et chimiques des diverses formes allotropiques peut être illustrée par le carbone qui, selon la disposition des atomes, peut se présenter sous forme de diamant ou graphite. Le diamant, le plus stable de ces formes, possède une structure rigidement cubique : chaque atome de carbone est lié à quatre autres atomes. Dans le graphite, qui cristallise dans le système hexagonal, les atomes de carbone sont disposés selon des plans parallèles. Cette différence de structure provoque des modifications sensibles dans les comportements

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chimiques et physiques : le diamant est très résistant du point de vue mécanique et chimique ; le graphite et mou, clivable et présente une tendance plus prononcée à la réaction chimique. Il a été recensé aujourdhui plus de 200 polytypes de Carbure de Silicium [Jagodzinski60, Jepps83], correspondant à des séquences dempilement différentes le long de laxe c des couches Si-C (Silicium - Carbone), chaque atome étant dans une configuration tétraédrique. La longueur de chaque liaison atomique est pratiquement la même pour chaque polytype de SiC. La symétrie globale du cristal nest déterminée que par la périodicité des séquences. Ainsi, les polytypes de SiC sont classés suivant trois catégories cristallographiques élémentaires : le système cubique (C), le système hexagonal (H) et le système rhomboédrique (R). Chaque couche atomique Si-C ne peut être orientée que suivant trois directions possibles par rapport au réseau du cristal [Morkoc94, Casady96],   celui-ci conserve ainsi une structure de liaison atomique tétraédrique. Si les couches atomiques suivant une direction particulières sont notées de manière arbitraire A, B et C et les séquences dempilement ABCABC, alors la structure cristallographique est de nature cubique ou zinc-blende ;(figure I.1).Elle est connue comme étant le polytype 3C-SiC ouβ-SiC. Le nombre 3 fait référence au nombre de couches électroniques nécessaires à la périodicité du cristal et la lettre C à la symétrie cubique de celui-ci. Il nexiste en fait quun seul polytype de Carbure de Silicium appartenant au système cristallin cubique.

B  A

C

 A

C  B  A 3C-SiC Figure I.1 :Structure Cristalline du polytype 3C-SiC [Morkoc94]

  Si la séquence dempilement des couches atomiques Si-C est ABAB, alors la symétrie du cristal est hexagonale [Casady96, Trew91] (figure I.2). Il sagit alors du

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Chapitre I Généralités sur le Carbure de Silicium polytype    là, tous les autres polytypes sont combinaisons deoté 2H-SiC Wurtzite. A partir de liaisons cubiques (zinc-blinde) et hexagonales (wurtzite).

Figure I.2 :Liaisons entre les atomes de Silicium et de Carbone de nature cubique (ou zinc-blende) et hexagonale (ou wurtzite)[Morkoc94].  Ainsi le polytype 4H-SiC est constitué par le même nombre de liaisons cubiques et hexagonales. Le polytype 6H-SiC est composé aux deux tiers de liaisons cubiques, le tiers restant étant des liaisons hexagonales(figure I.3). Cependant, la symétrie globale de ces deux polytypes (4H-SiC et 6H-SiC) reste hexagonale, malgré la présence de liaisons cubique dans chacun de ces polytypes. Les structures hexagonales et rhomboédriques sont regroupées dans un même ensemble et sont notéesα-SiC.

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B C B A B C B A 4H-SiC 6H-SiC Figure I.3 :Structures cristallines de polytypes 4H-SiC et 6H-SiC [Morkoc94]

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I.2.2 Propriétés Physiques du Carbure de Silicium Lintérêt dans le Carbure de Silicium (SiC) pour les applications électronique est apparu dès le début des années 1960 en raison de ses propriétés remarquables (champ électrique de claquage élevé, grande vitesse de saturation des porteurs sous fort champ et conductivité thermique voisine de celle du cuivre). C'est un semi-conducteur à grande largeur de bande interdite ayant un gap compris entre 2.2 et 3.3eV selon le polytype. De plus, le SiC a un champ de claquage huit fois plus élevé et une conductivité thermique trois fois plus élevée que le Silicium, ce qui permet de fabriquer des composants pouvant supporter des tensions importantes avec un matériau qui évacue efficacement la chaleur. Ces propriétés sont très intéressantes pour des applications à hautes températures et à fortes puissances.   Le Tableau I.1 présente les principales propriétés du Silicium (Si), de l'Arséniure de gallium (AsGa), de Nitrure de Gallium (GaN), du Carbure de Silicium (SiC) et du diamant.   Conductivité Constante  Vitesse de MobilitéChamp de saturation Thermique  diélectrique Gap Eg (eV) ( cl K a V q . u c a m g - e 1   )  ce cm lé (  2 o V rt . - n 1 q .s i -1 ) u   (cm.s e µn -1 )   (W.cm -1 .K -1 ) Si 1.12 300 1000  0.8×10 7 1.5 11.9 GaAs 1.43 400 5000  2×10 7 0.54 12.8 GaN3.435001500 2.7×10 7 1.3 9  4H-SiC 3.3 2000 800  2×10 7 5 9.7 Diamant 5. 5  10×10 3 1800 2.7 ×10 7 20 5.6  Tableau I-1 :   Propriétés de quelques matériaux semiconducteurs.    Pour les applications hyperfréquences, les paramètres électroniques prépondérants sont les caractéristiques de transport de charges (trous et électrons). Dans le domaine des faibles champs électriques, les porteurs libres sont en équilibre thermodynamique avec le réseau et leur vitesse moyenne est proportionnelle au champ électrique. En d'autres termes, la mobilité des porteurs est indépendante du champ électrique et la vitesse de dérive s'écrit simplement :

G G V= ± µ 0 E  Avecµ 0 = q * ,τ= temps de relaxation et m * = masse effective. m La vitesse de dérive des porteurs présente une valeur maximale V sat obtenue pour une valeur critique du champ électrique notée E c . La valeur du champ électrique, pour laquelle se produit la saturation de la vitesse de dérive, est très importante puisqu'elle traduit les phénomènes d'accélération des porteurs jusqu'au régime de saturation. La vitesse de saturation

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pour les semi-conducteurs à grand gap est plus élevée que celle du silicium (Si) ou de l'arséniure de gallium (GaAs). Ceci permet d'obtenir de forts courants DC et RF pour les transistors MESFETs SiC. Lorsque le champ électrique devient important, les interactions des porteurs avec les vibrations du réseau entraînent une diminution de la mobilité des porteurs. Cette diminution de la mobilité se traduit par une variation non linéaire de la vitesse de dérive des porteurs : G G  V±µ(E).E  = Avecµ(E) µ = 0  1+ E Vsat La mobilité des électrons (µ n ) et des trous (µ p ) sont des paramètres physiques prépondérants pour les dispositifs microondes. En particulier, ils influent sur les performances RF, la transconductance (G m ) et le gain en puissance des transistors MESFETs de puissance. De plus le fort champ électrique d'avalanche du SiC [Van Opdorp69] permet d'appliquer aux transistors MESFETs de fortes tensions de polarisation de drain, ce qui permet d'obtenir des puissances RF élevées en sortie.

Figure I.4:la vitesse des électrons en fonction dCaractéristique de champ électrique   pour plusieurs semi-conducteurs avec Nd = 10 1 atomes/cm 3 [Trew'91].  

 La caractéristique de la vitesse des porteurs en fonction du champ électrique (figure I.4) [Trew91] est fondamentale pour déterminer lamplitude du courant qui peut circuler dans un composant. En principe, on souhaite une forte mobilité associée à une forte vitesse de saturation. 

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Du point de vue des propriétés électriques, le seul inconvénient du SiC est la mobilité relativement faible malgré une forte valeur de la vitesse de saturation. Pour une densité de dopage de l'ordre de 10 17 /cmtamose 3 , la mobilité des électrons varie de 200 à 600 c 2 /V.s m suivant le polytype. La mobilité du polytype 4H-SiC est à peu près deux fois celle du polytype 6H-SiC. Le polytype 6H-SiC a donc l'inconvénient de présenter une faible mobilité d'électrons : c'est la raison principale pour laquelle on préférera utiliser le polytype 4H pour des applications microondes. Pour synthétiser les avantages du carbure de silicium dus à ses propriétés physiques intrinsèques, nous présentons dans la suite une comparaison de ses facteurs de mérite avec dautres semi-conducteurs.

I.2.2.1 Le facteur de mérite de Baliga (BMF) Il mesure les performances du matériau pour une forte tenue en inverse et une faible résistance en direct [Baliga82] : BFM=ε r Εµ 3 C  OùE c est le champ critique du matériau. la mobilité des porteurs est

I.2.2.2 Le facteur de mérite de Johnson (JMF) : Il détermine laptitude du matériau pour des applications haute puissance et haute fréquence [Johnson63] :  JMF= ( E C sat ) 2  2π Où sat la vitesse de saturation des porteurset I.2.2.3 Le facteur de mérite de Keyes (KMF) : Il établit laptitude du matériau pour la réalisation des circuits intégrés, en tenant compte de la vitesse de commutation des transistors et de leur limitation par auto-échauffement [Keyes72] : KFM= λ cν sat  4πε r Oùcest la vitesse de la lumière etλla conductivité thermique du matériau. Le tableau suivant donne les valeurs de ces facteurs de mérite pour des matériaux semiconducteurs, normalisées par rapport au silicium. 

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Matériaux JMF KMF BMF GaAs  15,67,1 0,45 Si 1 1 1   6H-SiC 260 4,68 110 4H-SiC 180 4,61 130 3C-SiC  33,465 1,6 GaN 760 1,6 650 Diamant 2540 32,1 4110  Tableau I-2 :de BMF pour les principaux polytypesFacteurs de mérites JMF, KMF et  de SiC comparés au Si, GaAs, GaN et le diamant [Chow00].    Le diamant possède de loin les valeurs de coefficients les plus élevées par rapport aux autres matériaux semiconducteurs. Mais à lheure actuelle, le SiC demeure le seul matériau qui puisse répondre rapidement au besoin de lélectronique de puissance. On voit que le GaN présente une figure de mérite JFM beaucoup plus important que celui du SiC. De plus la possibilité de réaliser des transistors à haute mobilité électrique (HEMTs) à base de GaN, permet datteindre des fréquences plus élevées que les MESFETs à base de SiC.

I.3 Les défauts dans le Carbure de Silicium (SiC). Depuis la première mise sur le marché de substrats SiC, au début des années 1990, de gros progrès ont été réalisés en termes de diamètre, de pureté et de qualité cristalline. Pourtant aujourdhui encore, la qualité des cristaux nest pas encore satisfaisante. Les défauts du cristal sont encore la raison principale du faible rendement de fabrication des composants. Les diodes Schottky et les transistors MESFETs sont affectées par ces défauts.

I.3.1 Défauts étendus

I.3.1.1 Les micropipes Ces défauts sont propres à la croissance du SiC selon la direction cristalline <c> ou <0001>. Des améliorations du procédé de croissance ont permis de diminuer fortement leur densité. Les micropipes ont la forme d'un tube creux traversant le cristal (figure I.5). Ils ont la particularité de pouvoir atteindre de grands diamètres et être observés à l'aide d'un simple microscope. Ils ont été révélés dans plusieurs matériaux cristallins (CdI 2 , PbI 2 , ZnS, mica, couche minces de GaN et fréquemment dans le SiC). Plusieurs hypothèses ont été proposées

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pour expliquer leur mécanisme de formation. Certaines évoquent les mécanismes qui génèrent des dépressions dans la surface de croissance , d'autres évoquent les mécanismes qui génèrent des dislocations avec de grands vecteurs de Burger [Weitzel98].   Ces défauts sont extrêmement néfastes. Ils constituent des lieux privilégiés de détérioration des composants [Powell91]. Pour cette raison, les micropipes ont longtemps été considérées comme le principal handicap pour la commercialisation de composant à base de SiC. De nombreuses études [Neudeck94] montrent le caractère destructif des micropipes pour les diodes Schottky, avec une réduction dun facteur 10 de la tenue en tension du contact redresseur. Si on trouve un micropipe sur une zone active du composant, celle-ci peut engendrer une destruction du composant (court circuit, coupure de la grille). Des nouveaux travaux ont montré que loptimisation des conditions de croissance permet de réduire la densité des micropipes [Kamata03]. A lheure actuelle, les meilleurs résultats sont ceux annoncés par la société Américaine CREE qui produit des substrats 4H- SiC de 50 mm de diamètre, avec une densité de micropipes qui ne dépasse pas 5 cm -2 . Dautres résultats meilleurs encore ont été démontrés par CREE sur des substrats de 75 mm de diamètre [Tuominen99]. 

 

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Figure I.5. : Image SEM dune région contenant une micropipe daprès [Junlin05] 

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