MUSIC : « Cellule de commutation de puissance ultime en carbure de silicium »

(Janv.2022-Janv.2026)

Contact : Frédéric Richardeau

La microélectronique de puissance des systèmes de conversion à haut rendement est essentielle pour réduire la consommation d’énergie. Néanmoins, ces domaines sont encore disjoints lors du processus de conception. Il en résulte une intégration hybride hétérogène dans laquelle apparait un grand nombre de puces semi-conductrices dipôles au sein de circuits complexes.

Le périmètre d’intégration de la cellule de commutation de puissance, brique de base, n’a pas évolué et constitue bien le principal défi à relever pour passer à un nouveau paradigme. Une reconsidération de ce périmètre nous donnerait la possibilité de nous projeter dans des niveaux d’intégration et de performances en rupture radicale avec les approches classiques d’intégration hybride.

L’ambition scientifique de MUS²-IC, adossé aux laboratoires Ampère, L2n, Laas et Laplace, est bien de démontrer la pertinence d’un nouveau périmètre de conception par une approche d’intégration verticale monolithique sur puce de puissance multi-terminaux avec un matériau à large bande interdite tel que le carbure de silicium 4H (SiC).

Cette intégration ultime suppose de co-intégrer les interrupteurs au sein d’une seule puce ou sur un nombre restreint de puces. Cette contrainte implique la mutualisation du plus grand nombre possible de régions cristallines dans le volume et de couches métalliques en surface. Par conséquent, la puce doit supporter la tension à la fois verticalement et latéralement. Cette caractéristique majeure représente clairement le défi scientifique et technologique que nous voulons relever par une vision double et originale combinant de nouvelles architectures de composants innovants et de nouveaux procédés technologiques spécifiques.

Si ce défi est sur le point d’être relevé en technologie silicium, ce n’est certainement pas le cas dans la technologie SiC. En effet ce type de substrat carboné est d’une grande dureté et rend difficile la réalisation de tranchées profondes isolantes. Il est difficile de diffuser les impuretés de dopage et également complexe de réaliser une implantation ionique de type P+ localisée ou enfouie. Cela ne permet donc pas de réaliser des composants bipolaires tels que des IGBT ou des diodes PIN aussi facilement qu’en silicium. Ainsi, une reconsidération des architectures utilisant des diodes unipolaires verticales dans le cadre d’une intégration complète des cellules de commutation sur puce SiC est donc obligatoire pour contourner ces difficultés.

Conceptuellement, le défi lancé par MUS²IC est la co-intégration verticale sur un substrat SiC d’au moins deux interrupteurs 1,2kV-25A dans une puce unique multi-terminaux. Cette puce sera étudiée en T1 par simulation physique et modélisation, puis en T2 des étapes technologiques nouvelles et innovantes seront établies, puis celles-ci seront évaluées expérimentalement en T3.

Trois prototypes sont visés : A) intégration d’une puce unique SiC tripolaire JBS Diode/JBS Diode utilisant de nouvelles tranchées profondes verticales, B) application à une puce unique SiC tripolaire VDMOSFET/VDMOSFET en deux variantes, C) intégration étendue en une puce unique SiC tripolaire VDMOSFET/JBS Diode, en deux variantes, utilisant les nouvelles tranchées profondes et des vias métalliques enfouis.

Toutes les puces seront isolées latéralement par des tranchées profondes en utilisant soit une gravure par plasma, soit un procédé photo-électrochimique qui sera développé spécialement pour créer une cellule ou une demi-cellule de commutation élémentaire et générique.

Les étapes innovantes seront conçues pour être compatibles avec une filière industrielle standard SiC VDMOS pour en faciliter leur valorisation ultérieure. Les futurs prototypes de puces multi-terminaux seront les fonctions de base des futurs systèmes de conversion avec une très forte intégration et des exigences élevées en matière d’efficacité énergétique.

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