Partenaires

Ampère

Nos tutelles

CNRS Ecole Centrale de Lyon Université de Lyon Université Lyon 1 INSA de Lyon

Nos partenaires

Ingénierie@Lyon



Rechercher


Accueil > Thèses et HDR > Thèses en 2012

18/01/2012 : Maxime BERTHOU - INSA

publié le , mis à jour le

Maxime BERTHOU soutient sa thèse le 18 janvier 2012 à 10h00 - Amphi E. du Châtelet - INSA

Titre :

Conception et Réalisation de Composants Unipolaires en Carbure de Silicium

Jury :

  • Directeurs de thèse : GODIGNON Philippe ; PLANSON Dominique
  • Rapporteurs : MAWBY Philip ; MORANCHO Frédéric
  • Examinateurs : BROSSELARD Pierre ; MERMET-GUYENNET Michel

Résumé :

Cette étude a permis d’explorer de nombreux aspects des composants en Carbure de Silicium depuis leur conception en passant par la fabrication, jusqu’à leur caractérisation. Les travaux menés précédemment dans le cadre du projet européen ESCAPEE et d’autres collaborations ont servis de point de départ pour ce travail.
Notre objectif était de réaliser des VMOS de puissance et diodes Schottky de très haute tension. Nous avons tout d’abord étudié les différentes structures via leur simulation, pour ensuite choisir les dimensions appropriée pour leur réalisation. La simulation des différentes terminaisons planaires nous a permis d’évaluer les qualités et défauts de chacune et de mettre au point une nouvelle terminaison combinant JTE, anneaux de garde dans la JTE (AGR) et anneaux de JTE. Comparée à la JTE classique, cette nouvelle protection montre une meilleure tolérance vis-à-vis de la dose de la JTE, une tenue en tension supérieure et une réduction du champ électrique en divers points sensibles de la terminaison. De plus, la création d’anneaux de JTE ne requière pas d’étape de fabrication supplémentaire.
Nous avons aussi étudié l’architecture du VIEMOS par simulation. Bien que sa fabrication eu échoué, cela nous a apporté une meilleur connaissance des particularités du VMOS en SiC qui furent précieuses lors de la conception des VDMOS.
Notre premier succès fût la réalisation des diodes unipolaires de très haute tension. Précédemment, l’emploi du tungstène comme métal Schottky nous avait permis de réduire la sensibilité de la barrière Schottky vis-à-vis de la température. L’emploi de la nouvelle terminaison, combinée avec cette nouvelle barrière Schottky a ensuite permis de fabriquer des diodes de très haute tension (>3.5kV). Plusieurs lots de diodes unipolaires de type Schottky pure (SBD) et combinant jonctions bipolaires et Schottky (JBS) furent réalisés. Les composants d’une taille d’environ 4mm2, permettent de conduire plusieurs ampères et de bloquer jusqu’à 9kV.
En plus des caractéristiques statiques, nous avons mesuré les caractéristiques des diodes de 1,5kV et 6,5kV en commutation et lors de pics de courant. Les diodes JBS de 1,5kV ont montré des caractéristiques en commutation similaires aux diodes Schottky jusqu’à 200ºC, avec un courant de pic maximum supérieur et des courant de fuite inférieur de plusieurs ordres de grandeur.
Les diodes en SiC atteignent, sur une gamme de température plus élevée, des performances en commutation largement supérieurs aux composants en Silicium actuels ou aux composant bipolaires en SiC, permettant ainsi d’augmenter les fréquences de commutation des convertisseurs, leur température de fonctionnement et d’augmenter leur rendement.
Les systèmes de conversions ont toutefois besoin d’employer des interrupteurs de puissances présentant les mêmes qualités que les diodes SiC pour exploiter totalement leurs avantages. Grâce à la similitude de fonctionnement du SiC-VMOS avec le Si-IGBT, la substitution est aisée, toutefois la fabrication du VDMOS reste complexe et maitrisée par peu de groupes. De plus, la qualité des composants permet rarement d’envisager son industrialisation. Le principal frein au développement du VMOS en SiC vient de la faible qualité du canal du MOS, entrainant une augmentation importante de la résistance du canal et de sa dégradation. Les récents progrès dans la formation de l’oxyde de grille ont permis de le rendre plus stable mais sa mobilité reste faible.
Les échantillons de VDMOS précédemment réalisés lors du programme ESCAPEE présentaient différent défauts de fabrication et une mobilité dans le canal très faible. Trois nouveaux lots de VDMOS furent réalisés, dans lesquels la majorité des défauts de fabrication furent éliminés via l’amélioration de leur procédé de fabrication. Nous avons aussi employé un nouvel oxyde de grille de meilleure qualité, réduit la longueur du canal et augmenté son degré d’intégration, ainsi nous avons réduit la contribution du canal à la résistance totale des VDMOS.
La fabrication du canal du VDMOS via la méthode d’alignement classique ne permet pas de créer des canaux de longueur inférieur au micromètre, c’est pourquoi nous avons mis au point une technique d’auto-alignement du canal en SiC. Ce qui a conduit à diviser par dix la résistance des composants et nous permettra de réaliser des VDMOS capables d’exploiter le potentiel du SiC.
Bien que la résistance de nos VDMOS classiques reste trop importante pour être comparable aux IGBT en Silicium et qu’il faille encore résoudre quelques problèmes de fabrication, grâce à nos progrès nous avons fabriqué des composants de grande taille ou intégrant des capteurs de courant et de température.
Différents composants unipolaires de grande taille en carbure de silicium furent réalisés avec succès après une étude de modélisation précise, de nombreuses améliorations du procédé de fabrication et du design. Les diodes JBS employant la barrière Schottky en tungstène ont montré des caractéristiques exceptionnelles. La résolution du peu de problèmes restants lors de la fabrication des VDMOS en SiC nous permettra d’exploiter pleinement le potentiel du SiC en électronique de puissance.

Voir en ligne : Texte complet de la thèse