SmartSiC facilite la mise en œuvre des MOSFET SiC

Le procédé SmartSiC de Soitec utilise une plaquette monocristalline de SiC monocristallin liée à une surface de poly-SiC spécialement conçue, ce qui permet d'obtenir un substrat à faible résistance qui devrait faciliter la mise en œuvre de dispositifs SiC pour les clients.

Les calculs de PGC Consultancy ont montré que ses substrats pouvaient réduire la résistance totale des MOSFET de 20% grâce à leurs valeurs de résistivité uniques, selon les estimations de PGC Consultancy.

1. Haute résistivité

La résistance est la clé de voûte de l'électronique de puissance. Chaque ohm que l'on parvient à réduire de la résistance totale en conduction d'un MOSFET permet à celui-ci de fonctionner à une tension plus faible, ce qui se traduit par un meilleur rendement énergétique ainsi que par une augmentation du rendement de production et de la capacité de fabrication. Tout procédé permettant d'augmenter la résistance présente un grand intérêt dans ce secteur.

Soitec a mis au point un substrat technique appelé SmartSiC(tm), grâce à sa technologie Smart Cut(tm), qui offre des performances supérieures en carbure de silicium (SiC). Il associe une couche ultra-fine de 4H-SiC de haute qualité à une plaquette ‘ de support ’ en SiC polycristallin à très faible résistance, ce qui permet de réduire considérablement la résistance des dispositifs par rapport aux plaquettes standard en SiC monocristallin, tout en produisant des puces plus petites pour des résistances données ; cela se traduit au final par une amélioration des performances des dispositifs et des rendements de fabrication.

Les avancées dans le domaine du SiC pour l'industrie de l'énergie revêtent une grande importance et suscitent un immense intérêt chez tous ceux qui ont œuvré au développement de composants de puissance à base de SiC. Ces composants offrent un meilleur rendement de conversion d’énergie tout en permettant des conceptions plus légères et plus compactes pour les véhicules électriques (VE) et les équipements industriels, ce qui se traduit par une réduction significative des émissions de dioxyde de carbone par rapport aux systèmes traditionnels à base de silicium – un aspect crucial alors que nous progressons vers un avenir plus vert et que nous passons des combustibles fossiles à des sources d’énergie plus propres.

2. Faible résistivité

Les MOSFET de puissance devenant des composants de plus en plus indispensables dans les applications électroniques de puissance, leur faible résistance spécifique à l'état passant (SOR) est essentielle pour atténuer les effets parasites indésirables tels que les pertes de commutation et la pollution sonore. Alors que la demande en MOSFET de puissance au SiC connaît une croissance exponentielle, il est impératif de trouver une méthode rentable et durable pour produire des dispositifs présentant une SOR aussi faible afin de répondre à cette demande croissante.

La résistivité électrique du SiC poreux peut varier considérablement en fonction de sa composition et des conditions de fabrication, notamment de sa porosité (%) et de son polytype (a ou b). De plus, la présence d'additifs de seconde phase peut augmenter ou diminuer considérablement cette résistance électrique ; ceux-ci créent des niveaux d'énergie proches de la bande interdite, ce qui réduit considérablement la résistance.

L'atmosphère de frittage a une influence considérable sur la résistivité électrique du SiC poreux. Il a été constaté que le frittage dans l'azote (N₂) conduit à des résistivités inférieures à celles obtenues dans l'argon (Ar), car la solubilité plus élevée de l'azote favorise la transformation du b-SiC en a-SiC et renforce le dopage à l'azote de ce matériau.

Le dopage du SiC poreux avec divers additifs constitue un autre moyen efficace de modifier sa résistivité électrique, en activant un mécanisme de compensation accepteur-donneur qui permet de réduire sa résistivité électrique et, par conséquent, celle des échantillons. Malheureusement, la concentration de dopage optimale n’a pas encore été déterminée.

3. Fort dopage

Les systèmes SiC dopés aux métaux présentent des propriétés magnétiques et électroniques modulables, liées à leurs orbitales d'hybridation occupant des orbitales proches du niveau de Fermi, telles que des propriétés magnétiques modulables. En fonction de leur énergie de liaison et de leurs caractéristiques de transfert de charge, ces matériaux peuvent être classés comme semi-conducteurs ou métalliques ; on cite notamment les systèmes Ti-SiC, V-SiC, Cr-SiC, Mn-SiC, Fe-SiC, Co-SiC, ZnSiC ou GeSiC.

Les plaquettes de SiC dopées aux métaux présentent souvent des concentrations de dopage faibles et inégales, dues à la répartition aléatoire des atomes d'impuretés lors de la fabrication des couches épitaxiales de SiC, ce qui entraîne une répartition déséquilibrée du dopage et augmente la résistance de contact des plaquettes.

Soitec a proposé son substrat SmartSiC comme solution, avec une répartition équilibrée du dopage sur toute sa surface afin d’offrir des propriétés matérielles plus uniformes et plus prévisibles que celles des plaquettes standard. Ce problème entraîne une baisse des performances des dispositifs et, par conséquent, une diminution spectaculaire du rendement. Pour relever ce défi, Soitec a développé son substrat SmartSiC. Contrairement aux plaquettes standard, le SmartSiC offre un dopage plus uniforme sur toute la surface du matériau, ce qui permet d’améliorer les performances des dispositifs et d’augmenter le rendement.

SmartSiC rend inutile le préconditionnement, ce qui réduit les coûts de fabrication et améliore la fiabilité des dispositifs de puissance. De plus, son dopage élevé réduit considérablement la résistance de contact, qui passe de 50 à 100 µΩ·cm² à seulement 5 µΩ·cm².

Les substrats SmartSiC présentent des performances supérieures en matière de défauts et un rendement prévisionnel des dispositifs supérieur à celui des substrats de référence standard du secteur ; ils rivalisent avec les plaquettes de SiC monolithiques et d’ingénierie en termes d’uniformité de dopage, de tolérances d’épaisseur et contrôle des dimensions critiques – la technologie unique d’implantation ionique de Soitec permettant de contrôler la concentration de dopage aussi bien dans la région de base de type p que dans la région de source de type N+, ce qui améliore encore les performances.

4. Faible résistance de contact

Le carbure de silicium (SiC) présente un potentiel énorme en tant que matériau pour semi-conducteurs de puissance, mais sa généralisation dépend de la baisse des coûts et d’un potentiel accru de réduction des coûts dans les applications industrielles et les véhicules électriques. Jusqu’à récemment, la résistance de contact élevée du SiC limitait son utilisation ; pour améliorer encore les performances des dispositifs, il est nécessaire de mettre en œuvre des stratégies visant à réduire cette résistance, notamment par le recours à des matériaux et des procédés permettant de la diminuer.

Soitec et Resonac ont collaboré pour produire des substrats en carbure de silicium de 200 mm (8 pouces), appelés « substrats SmartSiC », qui permettent de réduire la résistance de contact (RC) au verso lors de la fabrication des dispositifs. Leur objectif est d'accélérer l'adoption du carbure de silicium dans des domaines tels que la mobilité électrique, l'industrie et les réseaux électriques intelligents.

Les substrats SmartSiC sont fabriqués selon le procédé Smart Cut, dans lequel une plaquette ‘ donneuse ’ en mono-SiC est collée de manière permanente à une plaquette de support en poly-SiC par implantation au laser ; une fois fendue à la profondeur souhaitée, elle est ensuite retournée et collée de manière permanente à sa contrepartie de support.

Soitec affirme que les substrats SmartSiC présentent une résistivité arrière plus faible, ce qui permet d'augmenter la densité de dépôt métallique sur la face avant et de réduire la résistance globale de contact des dispositifs de puissance, ainsi que des coûts d’investissement (CAPEX) et d’exploitation (OPEX) réduits lors du remplacement des substrats mono-SiC par des substrats SmartSiC dans des sites de production IDM intégrés verticalement, permettant ainsi de réaliser des économies tant au niveau des coûts d’investissement que des coûts d’exploitation tout en maintenant un volume de production équivalent.