– VHVD-SiC

Le but de ce projet est l'étude de composants en carbure de silicium destinés aux très hautes tensions : 10 kV et avec un objectif final de 15 kV. Le projet inclut la conception, la réalisation, et la caractérisation de composants bipolaires : diodes PiN, et transistors bipolaires ou thyristors. Par rapport au silicium, le SiC présente des propriétés physiques révolutionnaires : un champ critique 7 fois plus important, une bande d'énergie interdite et une conductivité thermique multipliées par 3. Jusqu'à 2 kV, il a déjà été démontré, notamment par Siemens, que l'utilisation du SiC permet de réduire la taille des convertisseurs et de faire fonctionner ceux-ci à plus haute température. Ce projet veut contribuer à étendre l'usage des composants SiC aux convertisseurs fonctionnant jusqu'à 6-8 kV, en particulier pour la traction électrique et la distribution d'énergie, ce qui impose une tenue en tension supérieure à 10 kV pour les composants. Ces convertisseurs seront des éléments clefs des prochaines générations de réseaux de distribution et de gestion décentralisée d'énergie prenant en compte les énergies renouvelables mises en œuvre dans les stratégies de développement durable. Les retombées économiques et sociétales du projet sont potentiellement considérables. Jusqu'à 2 kV, les topologies de composants unipolaires représentent de meilleurs compromis coût/performance. Au-delà de 3kV, le passage à des topologies bipolaires est impératif. Dans ce projet, nous proposons de démontrer la faisabilité de composants bipolaires, redresseurs ET commutateurs, d'abord avec une tenue en tension de 10 kV sur du matériau SiC commercial, puis jusqu'à 15 kV sur des structures épitaxiales améliorées obtenues par une coopération avec l'Université de Linköping (LiU) en Suède. Les composants seront fabriqués dans les centrales technologiques de l'INL de Lyon et du CNM de Barcelone. Au CNM de Barcelone seront surtout mises en œuvre les couches de passivation solides, l'étude de la passivation gazeuse étant effectuée par les partenaires AMPERE et ISL. Une technique innovante de protection périphérique « profonde » sera validée, qui fait appel à une épitaxie VLS mise au point au LMI et à une étape de planarisation confiée à la PME Novasic de Chambéry. Le comportement des fautes d'empilement, principales causes de défaillance des composants SiC bipolaires prototypes publiés à ce jour, sera observé in-situ pendant le fonctionnement du dispositif en régime direct, par le partenaire GES, en collaboration avec les sous-traitants IMEP et LEPMI de Grenoble. Le comportement électrique des composants en inverse sous atmosphère contrôlée (partenaire ISL), sera caractérisé en relation avec celui de la périphérie du composant, analysé par OBIC (Optical Beam Induced Current), ce qui permettra de valider les études d'architecture et de technologie. Les mécanismes de mise en conduction des commutateurs (transistors ou thyristors) seront étudiés par le laboratoire AMPERE.