Les protons résolvent un problème de longue date dans l’électronique au carbure de silicium


Le carbure de silicium (SiC) est un matériau semi-conducteur qui surpasse les semi-conducteurs à base de silicium pur dans plusieurs applications. Utilisés principalement dans les onduleurs, les entraînements de moteur et les chargeurs de batterie, les dispositifs SiC offrent des avantages tels qu’une densité de puissance élevée et des pertes de puissance réduites à des fréquences élevées, même à des tensions élevées. Bien que ces propriétés et son coût relativement faible fassent du SiC un concurrent prometteur dans divers secteurs du marché des semi-conducteurs, sa faible fiabilité à long terme est un obstacle insurmontable depuis les deux dernières décennies.

L’un des problèmes les plus urgents avec le 4H-SiC – un type de SiC aux propriétés physiques supérieures – est la dégradation bipolaire. Ce phénomène est causé par l’expansion des défauts d’empilement dans les cristaux de 4H-SiC. En termes simples, de petites dislocations dans la structure cristalline se transforment au fil du temps en de grands défauts appelés « défauts d’empilement Shockley simples » qui dégradent progressivement les performances et provoquent la défaillance de l’appareil. Bien que certaines méthodes existent pour atténuer ce problème, elles rendent le processus de fabrication du dispositif plus coûteux.

Heureusement, une équipe de chercheurs japonais dirigée par le professeur associé Masashi Kato de l’Institut de technologie de Nagoya a maintenant trouvé une solution réalisable à ce problème. Dans leur étude mise en ligne le 5 novembre 2022 et publiée dans la revue Scientific Reports le 5 novembre 2022, ils présentent une technique de suppression des défauts appelée « implantation de protons » qui peut empêcher la dégradation bipolaire dans les tranches de semi-conducteur 4H-SiC lorsqu’elle est appliquée avant le dispositif Processus de fabrication. Expliquant la motivation de cette étude, le Dr Kato déclare : « Même dans les tranches épitaxiales SiC récemment développées, la dégradation bipolaire persiste dans les couches de substrat. Nous voulions aider l’industrie à relever ce défi et trouver un moyen de développer des dispositifs SiC fiables, et , par conséquent, a décidé d’étudier cette méthode pour éliminer la dégradation bipolaire. » Le professeur agrégé Shunta Harada de l’Université de Nagoya et Hitoshi Sakane, un chercheur universitaire de SHI-ATEX, tous deux au Japon, faisaient également partie de cette étude.

L’implantation de protons consiste à « injecter » des ions hydrogène dans le substrat à l’aide d’un accélérateur de particules. L’idée est d’empêcher la formation de défauts d’empilement de Shockley uniques en fixant des dislocations partielles dans le cristal, l’un des effets de l’introduction d’impuretés protoniques. Cependant, l’implantation de protons elle-même peut endommager le substrat 4H-SiC, en raison duquel un recuit à haute température est utilisé comme étape de traitement supplémentaire pour réparer ces dommages.

L’équipe de recherche voulait vérifier si l’implantation de protons serait efficace lorsqu’elle est appliquée avant le processus de fabrication du dispositif, qui comprend généralement une étape de recuit à haute température. En conséquence, ils ont appliqué l’implantation de protons à différentes doses sur des tranches de 4H-SiC et les ont utilisées pour fabriquer des diodes PiN. Ils ont ensuite analysé les caractéristiques courant-tension de ces diodes et les ont comparées à celles d’une diode ordinaire sans implantation de protons. Enfin, ils ont capturé des images d’électroluminescence des diodes pour vérifier si des défauts d’empilement s’étaient formés ou non.

Dans l’ensemble, les résultats étaient très prometteurs car les diodes qui avaient subi une implantation de protons fonctionnaient aussi bien que les normales mais sans signes de dégradation bipolaire. La détérioration des caractéristiques courant-tension des diodes causée par l’implantation de protons à des doses plus faibles n’était pas significative. Cependant, la suppression de l’expansion des défauts d’empilement uniques de Shockley était significative.

Les chercheurs espèrent que ces découvertes aideront à réaliser des dispositifs SiC plus fiables et plus rentables qui peuvent réduire la consommation d’énergie dans les trains et les véhicules. « Bien que les coûts de fabrication supplémentaires de l’implantation de protons doivent être pris en compte, ils seraient similaires à ceux encourus dans l’implantation d’ions aluminium, actuellement une étape essentielle dans la fabrication de dispositifs de puissance 4H-SiC. » spécule le Dr Kato. « De plus, avec une optimisation supplémentaire des conditions d’implantation, il est possible d’appliquer cette méthode pour la fabrication d’autres types de dispositifs à base de 4H-SiC. »

Espérons que ces découvertes aideront à libérer tout le potentiel du SiC en tant que matériau semi-conducteur pour alimenter l’électronique de nouvelle génération.

Source de l’histoire :

Matériel fourni par Institut de technologie de Nagoya. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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