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Fontaine, Lya. Développement de briques technologiques pour la réalisation de composants de puissance MOS sur diamant

Fontaine, Lya (2020). Développement de briques technologiques pour la réalisation de composants de puissance MOS sur diamant.

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Résumé en francais

Un des défis de notre époque est lié à la production et à la gestion de l'énergie électrique. Dans ce cadre, l'amélioration des composants à semi-conducteurs de puissance est une des clés pour répondre à ce défi. La grande majorité des composants de puissance actuels sont réalisés à base de silicium. Cependant, les exigences des applications de l'électronique de puissance en termes de tenue en tension, de densité de puissance, de température et de fréquence de commutation sont de plus en plus élevées. Les propriétés physiques intrinsèques des semiconducteurs à large bande interdite (SiC, GaN, Diamant) permettent d'envisager la conception et la fabrication de composants de puissance bien plus performants que les structures tout silicium. Dans ce contexte, nos travaux portent sur le développement et l'optimisation des étapes technologiques permettant la réalisation de composants de puissance MOS en diamant. Ils ont été réalisés dans le cadre du projet ANR MOVeToDIAM, coordonné par le LAAS-CNRS, dans la continuité des travaux sur diamant effectués au laboratoire depuis 2005. Le diamant est donc un semiconducteur à large bande interdite (Eg = 5,5 eV) particulièrement indiqué pour les applications fortes puissances et températures élevées. Il possède de fortes mobilités de porteurs (2200 cm2/V.s pour les électrons et 2050 cm2/V.s pour les trous), permettant le passage de fortes densités de courant, un champ de rupture élevé (Ec ~ 10 MV/cm) et une forte conductivité thermique (lambda ~ 20 W.cm-1.K-1) facilitant la dissipation thermique. Cependant, malgré ces propriétés prometteuses, de nombreux verrous technologiques sont encore à lever afin de conduire à la fabrication de composants de puissance sur diamant. Nous avons donc étudié et optimisé plusieurs étapes technologiques critiques afin de pallier les problèmes induits notamment par la petite taille des échantillons (2x2mm2 à 3x3mm2). Les étapes de photolithographie ont été développées et optimisées pour deux types de résine (AZ4999 positive et NLOF 2035 négative) à l'aide d'un Spray-Coater et d'une machine d'écriture directe par laser, améliorant ainsi fortement la résolution minimale, jusqu'à 1µm, des motifs définis sur les échantillons. Afin de caractériser les contacts ohmiques, nous avons développé deux structures de tests : le TLM droit (Transmission Line Method) et le TLM circulaire ou cTLM (Circular Transmission Line Method). Si la réalisation de contacts ohmiques sur diamant de type P est maitrisée, la résistance spécifique de contact doit encore être améliorée pour limiter son impact sur les performances électriques des dispositifs. De plus, d'après la littérature, aucun contact ohmique réalisé sur diamant de type N n'a été réalisé, de par la difficulté d'atteindre de forts niveaux de dopage, ce qui reste de fait un frein majeur au développement de la filière diamant. La fabrication de contacts ohmiques de type P et de type N a donc été optimisée sur différents échantillons de diamant. Plusieurs techniques de surdopage ont notamment été testées sur les échantillons de type N : la caractérisation électrique à l'aide des motifs TLM montre que l'implantation de phosphore par PIII conduit à un comportement ohmique, ce qui s'explique par la présence d'une couche graphite conductrice à la surface de l'échantillon. Pour terminer, des capacités MIS ont été fabriquées. Le diélectrique Si3N4 a été choisi pour ses propriétés physiques et électriques, et la maîtrise de son dépôt par LPCVD au laboratoire. L'épaisseur déposée a été optimisée et les composants ont été fabriqués sur des échantillons de types P et N. Les mesures C(V) montrent un comportement capacitif pour les capacités MIS de type P ce qui ouvre la voie vers la réalisation d'un MOSFET Diamant.

Sous la direction du :
Directeur de thèse
Austin, Patrick
Isoird, Karine
Tasselli, Josiane
Ecole doctorale:Génie électrique, électronique, télécommunications (GEET)
laboratoire/Unité de recherche :Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (LAAS) - CNRS
Mots-clés libres :Diamant - MOS - Capacité MIS - Composant de puissance - Contact ohmique - Microfabrication
Sujets :Electricite, électronique, automatique
Déposé le :05 Nov 2020 14:47