Actuellement, la majorité des composants à semi-conducteur pour l’électronique de puissance est réalisée à partir de silicium (Si). Afin de répondre aux nouvelles contraintes électriques et thermiques imposées par la montée en tension et en densité de puissance des convertisseurs d’énergie électrique, une solution peut reposer sur l’emploi d’un semi-conducteur à large bande interdite tel que le carbure de silicium (SiC), du fait de son champ électrique critique (EC) environ dix fois plus élevé que celui du silicium et de sa capacité à fonctionner à des températures supérieures à 200 °C, qui permettent de repousser les limitations liées au silicium. De nombreuses publications concernant des diodes ou transistors en SiC de tenue en tension très élevée, voire leur disponibilité commerciale (jusqu’à 10 kV), démontrent du réel intérêt de cette solution. Cependant, les matériaux de l’environnement du semi-conducteur, en particulier les matériaux isolants de passivation et d’encapsulation, qui doivent être utilisés pour l’obtention du composant ou du module de puissance final, nécessitent d’être adaptés aux spécificités des puces en SiC pour bénéficier au mieux de leurs atouts. L’objectif de cette thèse est de contribuer à une meilleure connaissance des paramètres et des mécanismes de rupture impactant la tenue en tension à l’état bloqué de l’ensemble que forment la puce et son l’environnement isolant électrique. Ainsi, une étude expérimentale de l’influence de différents paramètres liés au semi-conducteur ainsi qu’aux matériaux de passivation et d’encapsulation présents en surface de la puce a été menée, à l’aide de diodes en SiC-4H avec protection périphérique par poche implantée, réalisées par la société IBS, dans le cadre du projet de recherche ‘FilSiC’.
Dans un premier temps, une étude par simulation numérique de l'ensemble de la structure étudiée (SiC, électrodes métalliques, isolants) a été effectuée à l’aide du logiciel Sentaurus Device (Synopsys). Elle a permis de quantifier les distributions du potentiel et du champ électriques dans toute la structure pour une tension appliquée donnée, et leur sensibilité aux caractéristiques des matériaux isolants modélisées, en vue de confronter ces résultats aux résultats expérimentaux. Cette étude a également servi au choix des paramètres liés au substrat épitaxié et à la géométrie latérale et en surface des diodes (les paramètres technologiques étant fixés par ailleurs), pertinents pour l’étude expérimentale de leur tension de rupture, dans une gamme pouvant aller théoriquement de 1 kV à 6 kV. En parallèle, la caractérisation électrique, au sein de structures Métal-Isolant-Semiconducteur, des différents matériaux de passivation utilisés (dépôts épais de dioxyde de silicium (SiO2), de polyimide (PI), et de leur empilement (PI/SiO2)), dans une gamme de température étendue jusqu’à 300 °C, a permis de déterminer leurs propriétés électriques (jusqu’à 300°C), en particulier leur rigidité diélectrique. Le travail a ensuite porté sur la caractérisation de la tension de rupture de la structure complète des différentes diodes fabriquées, effectuée sous vide et sous azote à la pression atmosphérique. L’analyse des comportements visualisés au moment du claquage pour les différents cas d’étude comparés, corrélée aux informations issues des simulations et des caractérisations des isolants, a permis d’évaluer la pertinence des valeurs de rigidité diélectrique des isolants pour prédire la tenue en tension de la structure complète d’une part, et d’identifier certains des paramètres technologiques et mécanismes mis en jeu lors du claquage des diodes d’autre part. Plusieurs conclusions utiles pour l’amélioration de l’étape de conception et l’optimisation de la protection périphérique et de l’isolation électrique des composants haute tension en SiC ont pu être tirées de ces travaux.
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Currently most of the power electronic semiconductor components are manufactured on silicon ( Si ). There are new electrical and thermal constraints imposed by the rise in voltage and in the power density of the electrical energy converters, one can use a wide band gap semiconductor such as silicon carbide (SiC) as a solution, due to its critical electric field (EC) about ten times higher than that of silicon and its capacity to operate at temperatures above 200 °C which make it possible to overcome the limitation associated with silicon. Numerous publications of the SiC device such as diode, transistors, which have very high breakdown voltage, are commercial available (up to 10kV) show the real interest of in this solution. However, the materials of the semiconductor environment, which must be used to obtain the final power component or module, in particular the passivation and the encapsulation insulating materials, need to be adapted to the specificities of the SiC chip to benefit from the best of their advantages. The aim of this thesis is to contribute to a better knowledge of the parameters and the mechanisms of rupture impacting the breakdown voltage in the blocked state of an assembly of the chip and its electrical insulating environment. Thus, an experimental study of the influence of various parameters related to the semiconductor as well as to the passivation and encapsulation materials on the surface of the chip was carried out on SiC-4H diode. Our diodes design is based on edge termination structures of JTE, which is realized by the company IBS within the framework of research project 'FilSiC'.
First, a numerical simulation of the entire structure (SiC, metal electrodes, insulators) was studied using the software Sentaurus Device (Synopsys). It enabled to quantify the distributions of the potential and electric field throughout the structure for a given applied voltage, and their sensitivity to the characteristics of the modeled insulating materials, with a view to comparing with experimental results. This study was also used to select the parameters related to the epitaxial substrate and to the lateral and surface geometry of the diodes (additionally, the technological parameters being), relevant to the experimental study of their rupture voltage in a range from 1 kV to 6 kV theoretically. In parallel, the electrical characterization of the different passivation materials used (thick deposits of silicon dioxide (SiO2), polyimide (PI), and their stacks (PI / SiO2)) have been investigated by preparing metal-insulator-semiconductor structures, in a temperature range up to 300 °C, allows to determine their electrical properties (up to 300 °C.), in particular their dielectric rigidity. The work then focused on the characterization of the rupture voltage in the complete structure of the various manufactured diodes, and was carried out under vacuum and under nitrogen at atmospheric pressure. The analysis of the visualized behaviors at the moment of breakdown of the various cases was compared, correlated with the information resulting from the simulations and resulting from the characterizations of the insulators, made it possible to study the related values of dielectric rigidity of the insulators as measured in order to to predict the breakdown voltage of the complete structure on the one hand, and to identify some of the technological parameters and mechanisms involved during the breakdown of the diodes on the other hand. Several useful conclusions could be drawn from this work for the improvement in the design step and the optimization of the peripheral protection and the electrical insulation of the high voltage components in SiC.
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