Élaboration de monocristaux de carbure de silicium pour l’électronique de puissance : réduction de la densité de défauts

SiC single crystal growth for power devices applications. Reduction of the defect density

• Auteur / Autrice : Cécile Moulin
• Direction : Roland Madar
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2001
• Etablissement(s) : Grenoble INPG
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale matériaux et génie des procédés (Grenoble199.-2008)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....) - Laboratoire des matériaux et du génie physique (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Yves Monteil
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Billon, Michel Pons
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yves Monteil, Christian Brylinski, Daniel Michel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Carbure de silicium

Électronique de puissance

Mots clés libres

Croissance par sublimation

Carbure de silicium

SiC-4H

Monocristaux

Caractérisation

Modélisation

Résumé

Les exceptionnelles propriétés physiques du SiC en font un matériau semi-conducteur de choix pour les applications électroniques de moyenne et forte puissance. Aujourd’hui, le manque de disponibilité de substrats de grand diamètre et de bonne qualité empêche un décollage rapide d’une filière SiC en Europe. Les monocristaux de SiC sont réalisés par transport physique en phase vapeur. Ils contiennent différents défauts souvent sources de disfonctionnements importants au niveau des composants. L'objectif de cette étude est de réduire leur densité par un meilleur contrôle des conditions de croissance. Nous mettons en place, dans un premier temps, une chaîne de caractérisation afin de corréler les caractéristiques des cristaux aux conditions de croissance. Une étude sur le début de croissance montre ensuite la nécessité de bien contrôler l’état de surface du germe pendant les étapes de montée en température pour favoriser un mode de croissance latéral par avancée de marches permettant l’obtention de cristaux à faible mosaïcité. À cette étude préalable suivent les résultats d’une étude combinant croissance, caractérisation et simulation. L’influence de différents paramètres de croissance, tels que les gradients thermiques à l’intérieur de la cavité, ou encore celle de la pression d’argon sur les caractéristiques des cristaux est étudiée et quantifiée. Cette étude montre que des variations très faibles de température, de l’ordre de 1 % seulement de la température de travail sont suffisantes pour changer complètement les caractéristiques des cristaux. Une évaluation des problèmes de reproductibilité rencontrés, liés à cette extrême sensibilité au champ thermique est également présentée. Enfin, les caractéristiques structurales des cristaux élaborés sont étudiées et les mécanismes de croissance du SiC sont présentés. Des premiers résultats sur l’influence des caractéristiques des substrats sur les performances électriques des diodes concluent cette étude.

Silicon carbide is a very promising material for high power applications. Today, significant improvements in both SiC wafer size and quality are still necessary to allow a fast development of silicon carbide in Europe. SiC single crystals are grown by a sublimation technique, and still contain several kind of defects usually detrimental for devices applications. A better understanding of the SiC sublimation growth has to be pursued to improve the material quality. First of all, several characterization techniques have been selected to establish relationships between the substrates characteristics and the growth process parameters. Then, a study on the start of growth has been undertaken. It shows that great care must be taken during the initial steps of the growth process in terms of pressure and temperature to avoid the deterioration of the speed surface, and to promote a lateral growth mechanism. This previous work is followed by a study combining growth, characterization and simulation results. The influence of several growth parameters such as the thermal gradients inside the cavity, or the influence of the argon pressure on crystals characteristics is studied and quantified. Results show how the material characteristics are sensitive to small parameters variations, and how it can be deteriorated (polytype switching, droplets…) by minor variations of temperature compared to the working temperatures. An evaluation of the process non-reproducibility, related to this extremely high sensibility of the thermal conditions, is also presented. Then, the structural characteristics of the ingots are studied and the silicon carbide growth mechanism is presented. Finally, first results on the substrate characteristics influence on the diodes electrical performances conclude this work