Florian RIGAUD MINET a soutenu sa thèse le 20/03/2023 (09h45)
Lieu : salle CHROME 1 de la Maison MINATEC (3 Parv. Louis Néel, 38054 Grenoble)
Jury :
Rapporteurs
Matteo MENEGHINI , Professeur à la Padova University
Frédéric MORANCHO , Professeur au LAAS, Toulouse
Examinatrice :
Natalie LABAT , Professeur à l’IMS à Bordeaux
Encadrement
Dominique PLANSON , Professeur à AMPERE, directeur de thèse
Hervé MOREL , Directeur de Recherche à AMPERE, co-encadrant
Julien BUCKLEY , Docteur au CEA-LETI, co-encadrant
Résumé :
De nos jours, l’électrification de notre société crée une demande croissante en technologies associées à la conversion d’énergie. Les transistors latéraux en Nitrures de Gallium (GaN) fabriqués sur des plaquettes en silicium permettent de réaliser des convertisseurs de puissance de plus haut rendement que leurs homologues en silicium pour des calibres de tension allant de 100 à 1000 V. Les applications visées sont les chargeurs de téléphones et d’ordinateurs portables, les chargeurs embarqués dans les véhicules électriques, les alimentations de data center, les micro-onduleurs pour le photovoltaïque et les convertisseurs de puissance pour l’électrification des avions. La réduction de la taille des transistors de puissance permettrait d’améliorer l’efficacité des convertisseurs. En effet, cela pourrait d’une part, de diminuer les pertes en commutation en réduisant les charges associées au transistor QXX et d’autre part, diminuer la résistance statique à l’état passant RDS,ON. Cependant, cette diminution de la taille des composants peut également abaisser la tension de claquage du dispositif ainsi que rendre la commutation plus sensible aux éléments parasites du circuit pouvant altérer sa stabilité.
Dans cette thèse, la distribution du champ électrique et les pertes en commutation des composants de puissance latéraux en GaN (650 V) construits au CEA LETI sont étudiés. Pour ce faire, une analyse de défaillances électriques et physiques a été menée sur des diodes Schottky avec différents designs et différentes connexions avec le substrat pour identifier le lieu de claquage et servir de référence aux études en simulations. Pour pouvoir étudier la distribution du champ électrique en simulation (TCAD) sur le logiciel Synopsys® SentaurusTM, une méthode de calibration des pièges dans les couches tampons basée sur des protocoles expérimentaux a été initiée. C’est une étape cruciale pour que les variations du champ électrique soient cohérentes avec les variations de tenue en tension expérimentales. Enfin, un nouveau banc de caractérisation pour étudier les pertes en commutation dure a été mis en place pour étudier l’impact du design et des procédés de fabrication des transistors. Les résultats donnent des lignes directrices pour la conception des futures générations de composants latéraux GaN.
Mots-clés :
Electronique de puissance, composants de puissance, Composant en nitrure de gallium, HEMT, Tension de claquage, TCAD, Commutation dure
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