Conception et caractérisation de diodes en SiC pour la détermination des coefficients d'ionisation

Design and characterization of SiC diodes for the determination of ionization coefficients

• Auteur / Autrice : Duy Minh Nguyen
• Direction : Dominique Planson, Christophe Raynaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 20/06/2011
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AMPERE - Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie Environnementale et Applications (Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Daniel Alquier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Planson, Christophe Raynaud, Daniel Alquier, José Millan, Marie-Laure Locatelli, Edwige Bano
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Daniel Alquier, José Millan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électronique de puissance

Mots clés libres

Electronique de puissance

Diode de puissance

Diode à barrière de Schottky

Diode bipolaire

Diode JBS

Diode en SiC

Diode à haute tension

Mesure OBIC

Courant induit par ondes optiques - OBIC

Matériaux pour l'électronique

Coefficient d'ionisation

Diode à avalanche

Diode bipolaire

Diode OBIC

Diode Zener

Power Electronics

Power Diode

Schottky Barrier Diode

Bipolar Diode

JBS Diode

SiC Diode

High Voltage Diode

Optical Beam Induced Current measurement

OBIC - Optical Beam Induced Current

Materials for Electronics

Ionization Coefficient

Avalanche Diode

Bipolar Diode

OBIC Diode

Zener Diode

Résumé

Le carbure de silicium (SiC) possède plusieurs propriétés exceptionnelles comme une large bande interdite, un champ électrique critique et une vitesse de saturation des porteurs élevée pour remplacer le silicium (Si) dans des domaines de fonctionnement jusque-là inaccessibles avec le Si. Un nombre important de démonstrateurs des composants de puissance en SiC faisant état de performances remarquables ainsi que la disponibilité commerciale des composants en SiC confirment la maturité de la filière SiC et montrent les progrès technologiques réalisés au cours des dernières années. Cependant, il existe peu d’études sur les coefficients d’ionisation du SiC, lesquels sont pourtant indispensables pour prévoir précisément la tenue en tension des composants de puissance en SiC. Ce travail contribue donc à mieux déterminer ces coefficients. Pour cela, un bon nombre de diodes spécialement conçues pour la détermination des coefficients d’ionisation du SiC par la technique OBIC (Optical Beam Induced Current) ont été réalisées sur différents wafers de SiC-4H et de SiC-6H, deux polytypes courant du SiC. Cette technique repose sur un faisceau de laser ultraviolet qui génère des paires électrons-trous dans la zone de charge d’espace d’une diode sous test. La mesure du courant résultant permet d’accéder aux coefficients d’ionisation. A partir des mesures OBIC sur les diodes réalisées, nous avons pu déduire les coefficients pour ces deux polytypes du SiC. Plus particulièrement, les coefficients d’ionisation du SiC-4H sont déterminés dans une large gamme de champ électrique grâce aux mesures sur les différents dopages. Les paramètres des coefficients déterminés dans ce travail peuvent être utilisés en conception de dispositifs haute tension pour prédire plus précisément l’efficacité de leur protection périphérique.

Silicon carbide (SiC) has several exceptional properties as a wide band-gap, a high critical electric field and a high saturation velocity of carriers to replace silicon (Si) in the applications previously inaccessible with Si. A significant number of SiC power devices showing outstanding performances and the commercial availability of SiC devices confirm the maturity of SiC industry and show the SiC technological advances in recent years. However, there are few studies on the ionization coefficients in SiC, which nevertheless essential to accurately predict the breakdown voltage of SiC power devices. This work contributes to better determine these coefficients. For this, numerous diodes which are specifically designed for the determination of ionization coefficients in SiC by using OBIC (Optical Beam Induced Current) technique were realized on different wafers of 4H-SiC and 6H-SiC, two usual polytypes of SiC. This technique relies on an ultraviolet laser beam which generates electron-hole pairs in the space charge region of a diode under test. The resulting current measurement provides access to the ionization coefficients. From OBIC measurements performed on the diodes, we were able to deduce the ionization coefficients for the both polytypes of SiC. In particular, the ionization coefficients for 4H-SiC are determined in a wide range of electric field through measurements on devices with different doping level. The parameters of ionization coefficients determined in this work can be used in design of high voltage devices to predict more accurately the efficiency of periphery protections.