INPI-France/Brevets-Francais-2024-Chunked huggingface dataset:
Le procédé est avantageusement complété par la caractéristique suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible :
la pile à combustible fonctionne dans le deuxième mode de fonctionnement, le procédé comprenant des étapes de :
- chauffer le deuxième hydrure métallique de manière à provoquer une désorption de l’hydrogène H 2 stocké dans le deuxième dispositif de stockage, et
- alimenter la pile à combustible avec l’hydrogène H 2 désorbé en provenance du deuxième dispositif de stockage ;
le procédé comprend en outre des étapes de :
- chauffer le premier hydrure métallique de manière à provoquer une désorption de l’hydrogène H 2 stocké dans le premier dispositif de stockage, et
La géométrie allongée des grains 2 de carbure de silicium et des inclusions 1 de carbone entraine une conductivité électrique et/ou thermique dans une direction Z perpendiculaire à la surface 220 du substrat améliorée par rapport à la conductivité perpendiculaire à Z, car le nombre de joints de grains à traverser entre les deux faces est limité. Une telle conductivité thermique favorise en particulier une bonne évacuation de la chaleur vers un empilement thermique lié à la face arrière 105 du substrat par une brasure.
En référence à la , les inclusions de carbone 1 peuvent être réparties dans toute l’étendue du substrat support 10. La répartition des inclusions peut être homogène. De manière alternative, le substrat support présente un gradient de concentration des inclusions de carbone. Dans ce cas, la densité des inclusions de carbone diminue de la face arrière en direction de la face avant. Le gradient peut être réalisé de manière continue, ou successivement en plusieurs couches présentant des taux de carbone décroissant de la face arrière vers la surface.
Dans certains cas, en référence à la , une portion 10A s’étendant à partir de la face avant est dépourvue d’inclusions de carbone et une deuxième portion 10B comprend des inclusions, qui peuvent être reparties de manière homogène ou selon un gradient.
Une telle configuration présente une face avant de composition homogène, ce qui facilite la préparation du substrat support pour le collage d’une couche de SiC monocristallin. Notamment les étapes de meulage et/ou de polissage sont plus faciles à réaliser sur une face avant homogène, car les inclusions de carbone sont plus friables que les grains de SiC. Ces inclusions sont donc plus facilement détruites ou arrachées pendant le polissage, ce qui peut entrainer l’augmentation de la rugosité de la surface.
Par exemple, la portion 10B comprenant les inclusions peut être une couche dite fine, présentant une épaisseur comprise entre 100 nm et 3 µm. Dans ce cas, la couche comportant les inclusions impacte très peu la conductivité thermique et électrique.
De manière alternative, la portion 10B comprenant les inclusions est une couche dite épaisse, présentant une épaisseur qui est par exemple comprise d’environ 350 µm. Une telle couche permet un amincissement du substrat par sa face arrière après la fabrication des composants électroniques sur sa face avant. Par exemple, on peut amincir la couche à une épaisseur finale comprise entre 100 et 180 µm. Cela permet de diminuer la résistance totale au passage d’un courant circulant en direction d’un axe Z perpendiculaire à la base du substrat.
Pour toutes les épaisseurs de la portion comprenant les inclusions, également pour des épaisseurs intermédiaires entre 3 et 100 µm, on peut préparer une portion 10B de départ présentant une épaisseur supérieure à l’épaisseur envisagée pour l’application finale, et réaliser un amincissement dans une étape ultérieure.
Dans d’autres modes de réalisation, le substrat peut comporter d’autres couches supplémentaires. En référence à la , le substrat peut comprendre une couche en carbure de silicium poreux 60 s’étendant de sa face arrière 106. Le substrat peut comprendre d’autres couches présentant une porosité différente de la couche 60, ou une ou plusieurs couches comprenant des inclusions obtenues par une méthode différente tel qu’un frittage, ou constituées d’un autre matériau.
Un taux de carbone élevé permet de diminuer le module d’Young du carbure de silicium et ainsi de rapprocher le module d’Young du substrat support du module d’Young d’un empilement thermique sur lequel le composant électronique sera brasé. Cela permet d’éviter des contraintes mécaniques et thermiques dans le substrat, notamment au niveau de la face arrière du substrat support, et dans la brasure. La diminution de contraintes permet d’augmenter la durée de vie du composant.
Le taux volumique des inclusions de carbone dans le substrat support est compris entre 1% et 40%.
L’épaisseur de la couche comprenant les inclusions après le dépôt par CVD est typiquement comprise entre 500 µm et 4 mm, avec des variations d’épaisseur (TTV, acronyme pour le terme anglo-saxon « Total Thickness Variation ») qui sont typiquement comprises entre 50 µm et 1,5 mm.
Après amincissement, l’épaisseur finale de la couche de carbure de silicium formée par CVD peut varier selon l’application envisagée. Par exemple, pour un diamètre du substrat de 150 mm, l’épaisseur de la couche comprenant les inclusions est typiquement de 350 µm ±25µm, et pour un diamètre du substrat de 200 mm, l’épaisseur de la couche comprenant les inclusions est d’environ 500 µm ±25µm.
La couche superficielle 20 est en un matériau monocristallin, par exemple en un semiconducteur tel que le carbure de silicium ou le nitrure de gallium ou un autre semiconducteur du type III-V. Dans certains cas, la couche superficielle est en diamant. Dans un mode de réalisation préféré, la couche superficielle est en carbure de silicium monocristallin. Dans une variante, la couche superficielle 20 peut être une couche non continue, par exemple une couche composée d’un ensemble de pavés qui sont chacun en un matériau monocristallin. Cette variante peut être utilisée pour des matériaux non disponibles dans les dimensions correspondant au diamètre du substrat support. Par exemple, la couche superficielle peut être composée d’une pluralité de pavés juxtaposés en diamant.
La fonction du substrat support est de fournir un support mécanique pour le composant à fabriquer, et d’évacuer la chaleur vers l’empilement thermique de manière efficace. Par ailleurs, en raison de l’anisotropie des grains et des inclusions de carbone, la conductivité électrique perpendiculairement à la surface du substrat est maximisée car le nombre de joints de grains à traverser sur le trajet est diminué.
Procédé de fabrication Nous allons maintenant décrire les étapes d’un procédé de fabrication d’un tel substrat 15. On commence par la mise à disposition d’un support 80 pour la fabrication du substrat support 10. On utilise typiquement un support 80 en graphite facile à retirer ou à brûler après la fabrication du substrat support. On introduit le support 80 dans une enceinte de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et on chauffe l’enceinte à une première température T1. La première température T1 est supérieure à 1200°C, de préférence supérieure à 1400°C. Une température T1 élevée favorise la formation d’inclusions de carbone dans le substrat support à former.
Simultanément, on introduit un mélange de gaz dans l’enceinte de dépôt. Le mélange de gaz comprend un gaz porteur, typiquement de l’argon, et un précurseur de dépôt fluidifié par un autre gaz qui est typiquement de l’hydrogène.
les figures 5A à 5D illustrent différentes étapes d’un procédé de fabrication d’un substrat de croissance similaire à celui de la , puis d’une matrice de diodes, dans lequel les portions inférieures et des portions supérieures sont porosifiées de manière concomitante ;
les figures 6A à 6D illustrent différentes étapes d’un procédé de fabrication d’un substrat de croissance similaire à celui de la , puis d’une matrice de diodes, dans lequel les portions inférieures et des portions supérieures sont porosifiées de manière concomitante.
L’invention porte sur un substrat de croissance et son procédé de fabrication. Le substrat de croissance est adapté à la réalisation par épitaxie d’une matrice de diodes à base d’InGaN, les diodes permettant d’émettre ou de détecter, de manière native, un rayonnement lumineux à différentes longueurs d’onde.
Le substrat de croissance comporte des mésas M (i) avec i allant de 0 à 2, ayant différents niveaux de porosification P (i) selon que les portions inférieure et supérieure des mésas sont toutes poreuses (mésas notées M (2) ), ou seulement l’une d’entre elles (mésas M (1) ), voire aucune (mésas M (0) ). Ces différents niveaux de porosification P (i) permettent d’obtenir des mésas M (i) ayant différents taux de relaxation R (i) . Les taux de relaxation R (i) se traduisent par le fait que les portions de reprise d’épitaxie présentent différentes valeurs du paramètre de maille effectif d’une catégorie de mésa à l’autre. Aussi, les diodes D (i) , réalisées lors d’une même étape d’épitaxie, présentent des zones actives différentes en termes de proportion d’indium incorporé dans les puits quantiques, d’une catégorie de diodes D (i) à l’autre (et donc de mésas) et sont donc adaptées à émettre ou détecter un rayonnement lumineux à différentes longueurs d’onde.
Notons que les portions inférieure et supérieure des mésas sont au contact l’une de l’autre, et ne sont pas séparées l’une de l’autre par une couche intermédiaire d’isolation qui permettrait de ne porosifier que l’une ou l’autre desdites portions de la mésa. Dans cette configuration, la porosification des portions inférieure et supérieure des mésas est rendue possible par la mise en œuvre d’une porosification électrochimique différenciée des portions inférieure et supérieure des mésas, au moyen d’une porosification photo-assistée de la portion supérieure (on parle alors d’une porosification PECE, pour Photo ElectroChemical Etching en anglais) et d’une porosification non photo-assistée de la portion inférieure (on parle alors d’une porosification ECE, pour ElectroChemical Etching , en anglais).
Pour cela, pour chaque mésa, la portion inférieure est suffisamment dopée pour être porosifiable par porosification ECE pour une tension électrique appliquée de valeur V ECE prédéfinie. En revanche, la portion supérieure est non intentionnellement dopée ou insuffisamment dopée pour être non porosifiable lors de la porosification ECE à la tension électrique V ECE . De préférence, il y a une différence d’au moins un ordre de grandeur, en termes de niveau de dopage, entre la portion inférieure et la portion supérieure.
De plus, pour chaque mésa, la portion supérieure présente une proportion d’indium x2>0 suffisante pour qu’elle absorbe le rayonnement lumineux d’illumination de la longueur d’onde centrale λ c émis en direction des mésas lors de la porosification PECE En revanche, la portion inférieure est réalisée en un matériau dont la proportion d’indium x1≥0 est insuffisante pour qu’elle absorbe ce rayonnement lumineux d’illumination lors de la porosification PECE.
Rappelons que la porosification par anodisation électrochimique est effectuée en plongeant le substrat de croissance à base de GaN cristallin dans un électrolyte liquide. Dans le cadre de la porosification ECE, le substrat de croissance est connecté à l’anode d’un générateur électrique alors qu’une contre-électrode, plongée dans l’électrolyte, est connectée à la cathode, pour ainsi appliquer une tension électrique de valeur V ECE prédéfinie.
Les figures 1A à 1C sont des vues schématiques et partielles, en coupe transversale, d’un dispositif optoélectronique 1 comportant un substrat de croissance 10 et une matrice de diodes D (i) à base d’InGaN, selon différentes variantes de réalisation. Les figures 1A et 1B illustrent des variantes où les mésas M (i) reposent sur une même couche tampon 12 réalisée en un matériau non porosifiable (à la tension électrique de porosification des mésas) et électriquement conducteur, alors que la illustre une variante où une telle couche tampon 12 est absente.
Le dispositif optoélectronique 1 est ici un micro-écran à émission native RGB, où le pas des diodes D (i) peut être inférieur ou égal à 10µm environ. L’indice i, allant de 0 à 2, est relatif aux catégories (présentées plus loin) des mésas M (i) et donc des diodes D (i) .
On définit ici et pour la suite de la description un repère direct tridimensionnel orthogonal XYZ, où les axes X et Y forment un plan principal d’une couche support 11 et où l’axe Z est orienté suivant l’épaisseur du substrat de croissance 10 en direction des diodes D (i) .
Le dispositif optoélectronique 1 comporte un substrat de croissance 10 à partir duquel une matrice de diodes D (i) a été réalisée par épitaxie. Les électrodes de polarisation électrique des diodes ne sont pas représentées ici dans un souci de clarté.
Le substrat de croissance 10 comporte une couche support 11 et des mésas M (i) destinées chacune à la réalisation par reprise d’épitaxie d’une diode D (i) de la matrice. Une mésa (i.e. une élévation, un relief) est une partie du substrat de croissance 10 en saillie vis-à-vis de la couche support 11. Les mésas sont réalisées par gravure localisée d’un empilement cristallin 20 (cf. ).
Le substrat de croissance 10 est réalisé à partir de GaN cristallin, c’est-à-dire qu’il est réalisé en GaN et/ou en ses composés tels que l’In x Ga 1-x N, l’Al y Ga 1-y N, voire l’In x Al y Ga 1-x-y N. D’une manière générale, par « matériau à base de GaN », on entend que le matériau peut être du GaN et/ou ses composés. Il peut ainsi être de l’In x Al y Ga 1-x-y N où la proportion d’indium x peut être nulle et où la proportion d’aluminium y peut également être nulle. Et « par matériau à base d’InGaN », on entend qu’il est en InGaN ou en InAlGaN, c’est-à-dire qu’il peut être réalisé en l’In x Al y Ga 1-x-y N où la proportion d’indium x est non nulle et où la proportion d’aluminium y peut être nulle.
Système réversible comprenant une pile à combustible réversible et un dispositif de stockage à hydrure métallique. L’invention concerne les systèmes de stockage et de production autonome d’énergie électrique et plus précisément les systèmes réversibles offrant la possibilité de générer de l’hydrogène, de l’électricité, de la chaleur et/ou de l’eau. Ces systèmes fonctionnent de manière autonome et utilisent une pile à combustible réversible.
ETAT DE LA TECHNIQUE Le développement de sources d'énergie renouvelable s'accompagne du développement de technologies optimisant leur utilisation et leurs rendements. Parmi les différentes sources d'énergie renouvelable disponibles, la pile à combustible à hydrogène, capable de générer de l'électricité tout en limitant l'émission de gaz à effet de serre, suscite un grand intérêt.
La pile à combustible est un dispositif électrochimique dont le fonctionnement repose sur des réactions chimiques d'oxydo-réduction pour produire de l'énergie électrique : une oxydation d'un combustible réducteur sur une électrode et une réduction d'un oxydant sur une autre électrode. La pile à combustible à hydrogène peut notamment fonctionner sélectivement selon deux modes de fonctionnement : un premier mode de fonctionnement dans lequel la pile à combustible est en régime d'électrolyse et un deuxième mode de fonctionnement dans lequel la pile à combustible est en régime de décharge. La pile à combustible de type SOFC (Solid Oxide Fuel Cell » selon la terminologie anglo-saxonne) peut fonctionner suivant diverses réactions chimiques impliquant par exemple, du méthanol, du méthane, ou simplement du dihydrogène du côté de l’électrode à hydrogène et de l’oxygène du côté de l’électrode à oxygène. Il sera fait référence par simplicité au cas des piles à combustible impliquant oxygène et hydrogène.
Dans le premier mode de fonctionnement, le régime d’électrolyse, une première réaction endothermique permet de produire de l'hydrogène et de l'oxygène, moyennant un apport d'énergie sous forme d'électricité et de chaleur : H 2 O +Q + 2e - → H 2 + ½ O 2 (électrolyse).
Dans le deuxième mode de fonctionnement, une deuxième réaction exothermique permet de produire de la chaleur et de l’électricité par recombinaison de l’hydrogène et de l’oxygène : H 2 + ½ O 2 → H 2 O + 2e - + Q (décharge).
La chaleur Q et l'énergie électrique e - nécessaires à la réaction endothermique de l’électrolyse pour produire de l'hydrogène à une température et une pression donnée dépendent en partie de l'alimentation électrique utilisée. La tension électrique de la pile à combustible en régime d’électrolyse permet en effet de définir trois modes de fonctionnement différents : allothermique, exothermique ou autothermique.
Le mode autothermique correspond à un mode dans lequel la seule alimentation en énergie électrique permet de fournir l'ensemble de l'énergie nécessaire à la réaction endothermique, c'est-à-dire que la quantité de chaleur Q consommée par la réaction endothermique est intégralement compensée par l'apport d'énergie électrique qui se transforme en chaleur. La tension appliquée à une pile à combustible chargée en mode autothermique est appelée thermoneutre.
Le mode exothermique correspond à une tension de à la pile à combustible supérieure à la tension thermoneutre. Pour de telles valeurs de tension, l'apport d'énergie sous forme électrique est tel qu'il produit par lui-même plus de chaleur que nécessaire pour la réaction endothermique. Ce mode consomme plus d'énergie électrique et induit des variations de température au sein de la pile à combustible qui peuvent affecter son intégrité structurelle.
Le mode allothermique correspond à une tension de la pile à combustible inférieure à la tension thermoneutre. Ce mode implique une plus faible consommation d’énergie électrique. Il est donc a priori préférable. Cependant, il suppose un apport extérieur de chaleur dans la pile à combustible.
Les piles à combustible à hydrogène et oxygène présentent l'avantage de ne pas émettre de gaz à effet de serre, comme le CO2. L'un des inconvénients de leur fonctionnement réside dans le fait que les réactions d'électrolyse et de décharge ont un comportement thermodynamique très différent : l'une consomme de l’énergie électrique et de la chaleur et produit un dégagement de gaz, l'autre produit de l’énergie électrique et de la chaleur et requiert un apport de réactifs gazeux. Par conséquent, afin de gérer les flux de réactifs, de produits, d'énergie électrique et de chaleur, un dispositif de stockage permettant de stocker l'hydrogène produit lors de la réaction endothermique est généralement couplé à la pile à combustible. Le dispositif de stockage est utilisé pour stocker l’hydrogène produit par la pile à combustible lorsque la pile à combustible fonctionne en régime d’électrolyse et restituer l’hydrogène stocké, en tant que réactif, pour alimenter la pile à combustible lorsque la pile à combustible fonctionne en régime de décharge.
Plusieurs solutions techniques pour stocker l'hydrogène et ensuite le restituer sont envisageables. Le document WO2013/190024 propose par exemple un dispositif permettant le stockage réversible par absorption d'hydrogène dans un matériau.
En outre, le document WO2016/146956 propose d'utiliser la chaleur produite lors du stockage d'hydrogène dans le matériau pour porter un fluide servant à alimenter la pile à combustible en réactif à une température prédéterminée.
Cependant les différents matériaux capables de stocker de l’hydrogène doivent être mis dans des conditions de pression et de température particulières afin de provoquer une absorption de l’hydrogène par le matériau ou une désorption de l’hydrogène par le matériau.
Certains matériaux métalliques, tel que le magnésium par exemple, permettent de stocker une grande quantité d’hydrogène sous la forme d’un hydrure métallique. Toutefois, l’absorption de l’hydrogène par le matériau exige que l’hydrogène soit maintenu à une pression supérieure à la pression atmosphérique, par exemple une pression de 10 bars pour le magnésium. Or la pile à combustible produit de l’hydrogène à pression atmosphérique.
Il serait envisageable de prévoir un compresseur à hydrogène permettant d’augmenter la pression de l’hydrogène produit par la pile à combustible pour alimenter le dispositif de stockage en hydrogène sous pression. Toutefois, cette solution est particulièrement complexe à mettre en œuvre, et est par conséquent peu économique.
Un but de l’invention est de proposer une solution permettant de stocker efficacement l’hydrogène produit par une pile à combustible.
En référence à la , on dépose ainsi une couche 100 de carbure de silicium comprenant des inclusions de carbone sur le support 80.
Dans le cas où on vise une couche supérieure dépourvue d’inclusions ou un gradient d’inclusions ( ), la température dans l’enceinte est progressivement baissée au cours du procédé de dépôt en phase vapeur pour atteindre une température de fin de dépôt T2 inférieure à T1et/ou on baisse le ratio du gaz Ar/(Ar+H 2 ).
Dans le cas où on dépose une couche avec une répartition homogène des inclusions ( ), on maintient ces paramètres constants.
On continue ainsi le dépôt de la couche de carbure de silicium afin d’obtenir une épaisseur supérieure à l’épaisseur du substrat support à fabriquer. Typiquement, on vise une épaisseur comprise entre 500 µm et 2 mm.
Au début de la croissance de la couche 100 de carbure de silicium, la taille des grains est souvent variable puis devient plus homogène. En favorisant la croissance d’une couche épaisse, on peut retirer ultérieurement la portion dans laquelle la taille des grains varie fortement, et utiliser la portion dans laquelle la taille des grains est homogène et de bonne qualité cristalline. Pendant et après le dépôt, la surface 110 de la couche 100 présente une forte rugosité en raison de l’orientation verticale des grains.
En référence à la , une fois l’épaisseur envisagée de la couche 100 de carbure de silicium atteinte, on retire le support 80 en carbone par voie mécanique ou par combustion.
En référence à la , on procède ensuite au retrait de la portion inférieure 13 de la couche de carbure de silicium dans laquelle la taille de grains est inhomogène et la qualité cristalline moins bonne que dans la portion supérieure réalisée en fin du dépôt par CVD. On retire également une portion surfacique 14 présentant une forte rugosité ou une forte variation locale d’épaisseur à une échelle plus grande que la rugosité.
Le retrait de ces portions excédentaires 13, 14 est typiquement réalisé par un meulage suivi par un polissage mécano-chimique pour atteindre une surface 120 plane et suffisamment lisse pour le collage d’une couche superficielle. Un tel polissage utilise une barbotine contenant des particules abrasives dans un mélange chimiquement actif. Typiquement, après les étapes de retrait, l’épaisseur du substrat support 10 de carbure de silicium est comprise entre 150 et 500 µm et peut varier selon l’application envisagée. Après des étapes ultérieures d’amincissement, l’épaisseur est typiquement comprise entre 100 µm et 180 µm.
En référence à la , on assemble le substrat support 10 ainsi préparé avec une couche superficielle 20 en un matériau monocristallin, typiquement par un procédé du type Smart Cut TM .
En référence à la , on prépare un substrat donneur 200 monocristallin pour réaliser la couche superficielle 20. On peut appliquer un nettoyage et/ou un traitement de surface à la surface du substrat donneur 200.
On forme ensuite une zone de fragilisation 21 dans le substrat donneur 200, de sorte à délimiter une couche monocristalline 20. La zone de fragilisation 21 est formée dans le substrat donneur 200 à une profondeur prédéterminée qui correspond sensiblement à l'épaisseur de la couche monocristalline destinée à former la couche superficielle du substrat support pour dispositif électronique de puissance ou radiofréquence à former. De préférence, la zone de fragilisation 21 est créée par implantation d'atomes d'hydrogène et/ou d'hélium dans le substrat donneur.
En référence à la , on colle ensuite le substrat donneur 200 sur la couche de carbure de silicium 10.
En référence à la , on provoque un détachement du substrat donneur 200 le long de la zone de fragilisation 21, de sorte à transférer la couche monocristalline 20 sur la couche de carbure de silicium comportant les inclusions de carbone.