Réseau électrique : une amélioration des procédés de fabrication de composants électroniques à base de carbure de silicium

 

Avec l’intégration de sources d’énergie renouvelable dans le réseau électrique, les systèmes électroniques, sous la forme d’onduleurs, jouent un rôle de plus en plus important. A l’intérieur des panneaux solaires et des serveurs d’applications, on trouve dès aujourd’hui des onduleurs peu consommateurs d’énergie ou des alimentations électriques renfermant des éléments semi-conducteurs à base de carbure de silicium (SiC). Les éoliennes et les réseaux intelligents futurs (« smart grids ») pourraient également, grâce à des dispositifs à haute tension à base de SiC, consommer beaucoup moins d’énergie. Dans le cadre du projet « SiC-WinS – bases technologiques pour la production de convertisseurs de tensions SiC pour réseaux intelligents », les différents partenaires scientifiques et industriels étudient des technologies de fabrication moins coûteuses pour les composants en SiC, ainsi que des procédés d’amélioration de la fiabilité des composants. Ce projet est financé par la Fondation bavaroise pour la recherche (BFS) pour une durée de trois ans.

Pour injecter l’énergie renouvelable dans le réseau avec un minimum de pertes, de nouveaux onduleurs s’avèrent nécessaires, en particulier pour les moyennes tensions (10 kV à 13 kV). En raison des moins bonnes propriétés physiques des composants actuels de ces systèmes (en silicium), des composants à haute tension en matériau semi-conducteur SiC pourraient à l’avenir les remplacer. Avec des dispositifs de puissance en SiC, il est possible d’économiser par exemple des composants pour le refroidissement, ou encore de construire des circuits électroniques de façon plus efficace, plus économique et plus compacte. Leur utilisation dans le réseau électrique est soumise, cependant, à des exigences extrêmement élevées en termes de fiabilité et de performance des composants utilisés. Dans le projet « SiC-WinS », les procédés de fabrication sont donc étudiés, afin d’assurer une fiabilité maximale (« tolérance zéro défaut ») pour les tensions inverses allant jusqu’à 13 kV, même avec des composants en SiC. Basés à Erlangen (Bavière), les partenaires du projet [1] étudient ainsi la production par épitaxie [2] de couches épaisses de SiC, qui sont nécessaires pour ces composants à haute tension. L’objectif du projet est de réduire les coûts de production de ces composants de manière significative tout en améliorant les propriétés électriques et structurales des couches.

 

Les chercheurs ont donc pour objectif d’augmenter, par addition d’acide chlorhydrique (HCl), la vitesse et la qualité du dépôt chimique de couches épaisses de SiC, nécessaire aux composants. Ces couches sont produites par une réaction chimique de propane gazeux et de silane sur une plaquette de SiC, dans un réacteur à des températures supérieures à 1550 °C. Les classes de tension inverse visées, jusqu’à 13kV, nécessitent des couches avec des épaisseurs allant jusqu’à 100 microns et une longue durée de vie des porteurs de charge. En règle générale, le taux de croissance de ces couches se situe seulement aux environs de 10 à 20 microns par heure. Le processus prend alors environ 5 à 10 heures pour les couches épaisses, et est extrêmement coûteux. Ainsi, l’épitaxie représente une part d’environ 60% du coût total de production des composants. Pour des raisons techniques, une augmentation du taux de croissance en épitaxie classique n’est pas si facile. Pour obtenir une réduction des coûts efficace, des procédés d’épitaxie innovants sont nécessaires. L’acide chlorhydrique favorise la dissociation du propane et du silane et permet ainsi des taux de croissance plus élevés. Simultanément, grâce à l’action corrosive de l’acide, le dépôt de SiC parasite est réduit à l’intérieur du réacteur. En conséquence, le coût des opérations nécessaires de nettoyage régulier est réduit, et le risque de revêtement des particules de SiC parasites dans la couche est réduit au minimum. Enfin, l’addition d’acide entraîne une réduction du dopage « de fond », ainsi qu’une réduction de défauts électriquement actifs.

 

Une méthode d’essais rapide et non destructive sera également développée, qui permettra de détecter des défauts de matériaux sur des plaquettes de SiC de façon fiable. Ces défauts peuvent être déjà présents dans le semi-conducteur en SiC, ou formés au cours de la fabrication du dispositif, et ainsi réduire la stabilité à long terme des composants de puissance. L’équipe développe et teste donc un nouveau « scanner à luminescence pour défauts », qui reconnaît les défauts cristallins pertinents dès le niveau de la plaquette, pour la durée du processus et de façon non destructrice.

« Le développement de l’épitaxie et la garantie de la qualité des processus, tels que ceux utilisés dans le cadre du projet « SiC-WinS » développé au cours des trois prochaines années, nécessitent une connaissance et une expérience approfondies dans diverses disciplines qui ne seront atteintes que par la coopération de la science et de l’industrie », explique M. Jochen Friedrich, directeur du département de cristallogenèse à l’Institut Fraunhofer IISB.
[1] Les partenaires du projet « SiC-WinS » sont les suivants : IISB Fraunhofer, Intego GmbH, Infineon Technologies AG et le Département de Physique Appliquée de l’Université Friedrich-Alexander d’Erlangen-Nuremberg (FAU).

[2] L’épitaxie est une technique de croissance orientée, l’un par rapport à l’autre, de deux cristaux possédant un certain nombre d’éléments de symétrie communs dans leurs réseaux cristallins. Elle est utilisée pour faire croître des couches minces (quelques nanomètres d’épaisseur).

 

 

Pour en savoir plus, contacts :

Dr.-Ing. Jochen Friedrich, directeur du département de cristallogenèse – Institut Fraunhofer pour les systèmes intégrés et la technologie des composants (IISB) – tél. : +49 9131 761-269 – email : jochen.friedrich@iisb.fraunhofer.de

 

Sources :

« Das Stromnetz lernt Energiesparen – Projekt SiC-WinS erforscht Technologien zur Herstellung von SiC-Hochvoltbauelementen », communiqué de presse de la Société Fraunhofer – 12/03/2013 – http://redirectix.bulletins-electroniques.com/9BMmF

 

Rédacteurs :

Hélène Benveniste, helene.benveniste@diplomatie.gouv.fr – https://www.science-allemagne.fr/