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Caractérisation par imagerie hyperspectrale d’électroluminescence de défauts dans le carbures de silicium

Le carbure de silicium (SiC) est un matériau très prometteur pour les applications à haute température, haute fréquence ou forte puissance dans les appareils électroniques. Toutefois, la commercialisation de nombreux appareils électroniques basés sur le SiC s’est révélée difficile en raison de la présence d’une grande variété de défauts étendus. Afin d’améliorer la performance du SiC, des études ont été réalisées sur la formation et la propagation des défauts pendant la croissance des cristaux. Malgré que les résultats aient permis des avancées technologiques majeures facilitant la commercialisation de ce matériau, la formation et la prolifération des défauts étendus n’ont pas encore été pleinement comprises.

Il existe plusieurs types de défauts étendus dans le SiC, trois des plus dommageables sont les dislocations dans la fibre, les défauts d’empilement pendant la croissance et les défauts d’empilement induits par la recombinaison (RISF - recombination-induced stacking faults). Ces derniers sont particulièrement difficiles à gérer, car ils prennent de l’expansion pendant le fonctionnement du dispositif menant à une augmentation continue de la tension d’allumage des dispositifs bipolaires tels que les diodes PIN. Cette expansion est due à la recombinaison des porteurs libres à proximité des RISF. Comprendre le mécanisme de leur mouvement est essentiel si l’on souhaite les atténuer davantage.

L’électroluminescence est utilisée couramment afin d’identifier les défauts étendus: les RISFs émettent à 2,89 eV (430 nm) et les dislocations partielles qui délimitent les zones de défauts émettent à 1,8 eV (690 nm). Avec le 4H-SiC, on observe que les dislocations partielles engendrent une luminescence verte le long des dislocations partielles de carbone pendant le fonctionnement de l’appareil. Cette émission est conservée même si les RISFs sont induits par le recuit. L’imageur hyperspectral global de Photon etc., IMA, a été utilisé pour recueillir simultanément de l’information spectrale et spatiale sur ces défauts. IMA se compose d’un microscope optique couplé à une source de tension-courant, à des sondes et à un filtre hyperspectral basé sur des réseaux de Bragg en volume. L’imagerie hyperspectrale EL a permis une identification rapide et précise de la classe de défauts qui contribue à l’émission dans le vert du 4H-SiC.

La vidéo plus bas montre comment les RISFs prennent de l’expansion au cours de différents temps d’injection de courant et comment les centres luminescents verts se déplacent le long des dislocations partielles. On en déduit non seulement que les RISFs se déplacent avec l’injection de porteurs dans le SiC, mais également que certains défauts tels que des impuretés de bore peuvent être amenés à se déplacer dans de telles conditions.

Caractérisation de défauts dans le carbure de silicium

Cette vidéo montre comment différents types de défauts dans le SiC peuvent être facilement détectés grâce à des cartes d’électroluminescence obtenues à l’aide du système d’imagerie hyperspectral de Photon etc., IMA. Cette technologie d’imagerie hyperpsectrale améliore les capacités de développement de matériaux avancés.

a) Image couleur de l’EL d’une diode PIN de SiC et b-d) images monochromatiques d’EL extraites des données hyperspectrales, après annihilation, e) spectres d’EL extraits des régions 1 et 2 (voir a)). Adaptée de [1].
Fig. 1 - a) Image couleur de l’EL d’une diode PIN de SiC et b-d) images monochromatiques d’EL extraites des données hyperspectrales, après annihilation, e) spectres d’EL extraits des régions 1 et 2 (voir a)). Adaptée de [1].

L’imagerie EL de la diode PIN de SiC a été réalisée après des périodes successives de fonctionnement du dispositif et un recuit ultérieur dans une atmosphère d’azote à 700°C (voir figure 1 a) [1]. Après l’expansion des RISFs, l’EL du dispositif a été recueillie sur la plage spectrale de 400 à 780 nm, avec des pas de 2 nm et une durée d’exposition de 30 s. Les images monochromatiques individuelles produites par IMA ont permis de distinguer les différentes classes de défauts. La figure 1 b) représente le pic d’émission de RISF, centré à 424 nm, et la figure 1 c-d montre les dislocations partielles à 534 nm et 720 nm. La réponse spectrale des deux régions marquées par “1” et “2” (figure 1 e) a confirmé que la dislocation partielle possède un pic d’émission fin à 424 nm dus aux RISFs et une émission plus large autour de 530-540 nm. En combinant l’information spectrale et spatiale, il a été possible d’attribuer cette émission aux impuretés mobiles de bore.

L’imageur hyperspectral de Photon etc. a joué un rôle essentiel dans l’identification de la bande luminescente des différentes classes de défauts. Il a également permis une meilleure compréhension de la formation des défauts et de leur propagation dans le SiC.

Pour plus d’information, contactez info@photonetc.com

[1] Caldwell, J. D., Giles, A., Lepage, D., Carrier, D., Moumanis, K., Hull, B. A., Stahlbush, R. E., Myers-Ward, R. L., Dubowski, J. J., & Verhaegen, M. (2013). Experimental evidence for mobile luminescence center mobility on partial dislocations in 4H-SiC using hyperspectral electroluminescence imaging. Applied Physics Letters, 102(24), 242109.

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Caractérisation de défauts dans le carbure de silicium

Cette vidéo montre comment différents types de défauts dans le SiC peuvent être facilement détectés grâce à des cartes d’électroluminescence obtenues à l’aide du système d’imagerie hyperspectral de Photon etc., IMA. Cette technologie d’imagerie hyperpsectrale améliore les capacités de développement de matériaux avancés.

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