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L'électricité est aujourd'hui l'énergie la plus utilisée de part le monde. L'électronique de puissance est au coeur de la gestion de l'électricité. La majorité des systèmes de puissance utilise de nos jours des composants actifs en silicium. Avec les nouvelles contraintes, des tensions plus élevées, des faibles pertes, l'encombrement, les hautes températures, le silicium a atteint ses limites. Le carbure de silicium (SiC) est un semi-conducteur à large bande interdite qui présente des propriétés physiques et électriques à celles du silicium pour les composants de puissance. Les différents travaux à travers le monde démontrent un avenir prometteur pour le SiC dans la prochaine génération des composants de puissance. Ainsi les premiers composants SiC sont disponibles sur le marché depuis 2002 et les premiers systèmes hybrides Si/SiC permettent de mettre en évidence les avantages de cette nouvelle technologie. Le travail réalisé au cours de cette thèse a permis de mettre en place une base pour la technologie de fabrication de composants de puissance en SiC. Plusieurs étapes technologiques nécessaires à la fabrication de dispositifs SiC ont été optimisées. La gravure plasma du SiC avec un réacteur RIE et la formation du contact ohmique le SiC de type P ont été étudiées plus amplement. Ainsi, le procédé de gravure optimisé permet une vitesse de gravure de 0,35 æm/min avec un plasma SF6/O2, il est alors possible avec un masque de nickel de réaliser des structures mesas avec des profondeurs supérieures à 10 æm. Ensuite, une métallisation Ni/Al sur le SiC-4H de type P a été réalisé avec une résistance spécifique reproductible de 3×10-5 Ωcm2. Les optimisations des différentes étapes technologiques ont été implémentées dans la fabrication de diodes SiC avec deux types de protections périphériques : JTE et mesa. Des diodes de 1,2 kV et 5 kV ont été réalisées et caractérisées. Ces dispositifs ont permis de valider les optimisations apportées par le travail réalisé dans cette thèse. Cependant, il reste encore à améliorer les techniques de croissance du SiC pour permettre la fabrication de composants bipolaires de puissance en SiC fiables et robustes.
In power electronics, most of the devices are based on silicon. Nowadays, with the new challenges in high voltage and high temperature, silicon achieves its limits. Silicon carbide (SiC) is a wide band gap semiconductor. Its physical properties are greater than those of the silicon for power applications. However, the SiC power devices fabrication technology is not yet mature. This thesis treats the optimization of the technological steps for SiC power devices fabrication. And the work is especially focused on dry etching and ohmic contact to p-type SiC. The improvements were implemented in several SiC diodes fabrication process and some components with a breakdown voltage in the range 1.2 - 6 kV were obtained.
In 1984, additive manufacturing represented a new methodology for manipulating matter, consisting of harnessing materials and/or energy to create three-dimensional physical objects. Today, additive manufacturing technologies represent a market of around 5 billion euros per year, with an annual growth between 20 and 30%. Different processes, materials and dimensions (from nanometer to decameter) within additive manufacturing techniques have led to 70,000 publications on this topic and to several thousand patents with applications as wide-ranging as domestic uses. Volume 1 of this series of books presents these different technologies with illustrative industrial examples. In addition to the strengths of 3D methods, this book also covers their weaknesses and the developments envisaged in terms of incremental innovations to overcome them.
LE CARBURE DE SILICIUM (SIC) EST UN MATERIAU A LARGE BANDE INTERDITE COMBINANT UNE VITESSE DE SATURATION DES ELECTRONS ELEVEE, UN FORT CHAMP DE CLAQUAGE, UNE TRES BONNE CONDUCTIVITE THERMIQUE ET DE NOMBREUSES PROPRIETES SPECIFIQUES QUI EN FONT UN CANDIDAT DE CHOIX POUR REPOUSSER LES LIMITES DU SILICIUM (SI) ET DE L'ARSENIURE DE GALLIUM (ASGA), DANS LES DOMAINES DE LA PUISSANCE, DES HAUTES TEMPERATURES ET DES HAUTES FREQUENCES. CE TRAVAIL PRESENTE LA CARACTERISATION ET LA MODELISATION DE DISPOSITIFS SIC DEDIES EN PARTICULIER AUX APPLICATIONS HYPERFREQUENCES DE PUISSANCE. LES AVANTAGES DU SIC POUR CE TYPE D'APPLICATIONS SONT DETAILLES DANS LE PREMIER CHAPITRE. LA DESCRIPTION DES PRINCIPES DE MESURE EN HAUTE FREQUENCE EST AUSSI PRESENTEE. DANS LE SECOND CHAPITRE, NOUS AVONS CARACTERISE DES LIGNES DE TRANSMISSION COPLANAIRES REALISEES SUR DES SUBSTRATS SIC DE RESISTIVITES DIFFERENTES ET ANALYSE LES DIFFERENTS MODES DE PROPAGATION PRESENTS DANS CHAQUE STRUCTURE. LE TROISIEME CHAPITRE EST CONSACRE A L'ETUDE STATIQUE DES TRANSISTORS A EFFET DE CHAMP ET A CONTACT SCHOTTKY (MESFET). L'INFLUENCE DES EFFETS D'AUTOECHAUFFEMENT SUR LES CARACTERISTIQUES DES TRANSISTORS EST ANALYSEE. LE CHAPITRE IV CONCERNE PARTICULIEREMENT LES PERFORMANCES DES MESFET DANS LA GAMME 45 MHZ-18 GHZ. LA MODELISATION PETIT SIGNAL DE CES COMPOSANTS A PERMIS DE METTRE EN EVIDENCE L'INFLUENCE DES EFFETS D'AUTOECHAUFFEMENT SUR LES PERFORMANCES HYPERFREQUENCES. DANS LE DERNIER CHAPITRE, UNE ETUDE EN BRUIT BASSE FREQUENCE (
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).[...].
LES POTENTIALITES DU CARBURE DE SILICIUM EN TANT QUE MATERIAU SEMICONDUCTEUR EN VUE D'OBTENIR UN COMPOSANT DE PUISSANCE SONT ICI ETUDIEES, POUR DES APPLICATIONS DE PUISSANCE DANS LA GAMME (1500 V-1 A). LES PARAMETRES DU MATERIAU CONNUS A CE JOUR PERMETTENT LA CONCEPTION ASSISTEE PAR ORDINATEUR DE COMPOSANTS EN SIC POUR MIEUX CERNER LA TRIPLE ADEQUATION MATERIAU/COMPOSANT/TECHNOLOGIE. LES CARACTERISTIQUES ELECTRIQUES DE TROIS TYPES DE TRANSISTORS (BIPOLAIRE, MOSFET ET JFET) SONT ETUDIEES A L'AIDE DE SIMULATIONS ELECTRIQUES BIDIMENSIONNELLES (LOGICIEL PISCES). UNE PROTECTION PERIPHERIQUE DES COMPOSANTS DE PUISSANCE EST NECESSAIRE POUR SE PREMUNIR DU CLAQUAGE PAR AVALANCHE DU A LA HAUTE TENSION. DEUX TYPES DE PROTECTION CLASSIQUES DE LA FILIERE SILICIUM (ANNEAUX DE GARDE ET STRUCTURE MESA) SONT ETUDIEES AVEC LES CONTRAINTES LIEES AU SIC. ENFIN, LA GRAVURE DU SIC APPARAIT COMME UNE ETAPE TECHNOLOGIQUE CLEF POUR LES COMPOSANTS DE PUISSANCE, ET NOUS PRESENTONS NOS RESULTATS EXPERIMENTAUX DE GRAVURE PAR PLASMA DANS UN REACTEUR UTILISANT LE PRINCIPE DE LA RESONANCE CYCLOTRONIQUE ELECTRONIQUE DISTRIBUEE
Actuellement, la majorité des composants à semi-conducteur pour l'électronique de puissance est réalisée à partir de silicium. Afin de répondre aux nouvelles contraintes électriques et thermiques imposées par la montée en tension et en densité de puissance des convertisseurs d'énergie électrique, une solution repose sur l'emploi d'un semi-conducteur à large bande interdite tel que le carbure de silicium (SiC), du fait de son champ électrique critique (EC) environ dix fois plus élevé que celui du silicium et de sa capacité à fonctionner à des températures supérieures à 200 °C. Une revue des nombreuses publications concernant des diodes en SiC de tenue en tension élevée, voire leur disponibilité commerciale (jusqu'à 10 kV), est présentée, qui montre les progrès réalisés grâce aux efforts portés sur l'amélioration du matériau et l'optimisation de la protection périphérique des composants. L'étape de passivation primaire reste une étape critique très souvent mentionnée. Beaucoup moins de travaux prennent en considération l'impact des matériaux de passivation secondaire et d'encapsulation. L'objectif de cette thèse est de contribuer à une meilleure connaissance des paramètres et des mécanismes de rupture impactant la tenue en tension à l'état bloqué de l'ensemble que forment la puce et son l'environnement isolant électrique. Ainsi, une étude expérimentale de l'influence de différents paramètres liés au semi-conducteur ainsi qu'aux matériaux de passivation et d'encapsulation présents en surface de la puce a été menée, à l'aide de diodes en SiC-4H avec protection périphérique par poche implantée, réalisées par la société IBS, dans le cadre du projet de recherche 'FilSiC'. Dans un premier temps, une étude par simulation numérique de l'ensemble de la structure (SiC, électrodes métalliques, isolants) a été effectuée à l'aide du logiciel Sentaurus Device (Synopsys). Elle a permis de quantifier les contraintes en champ électrique dans toute la structure pour une tension appliquée donnée, et leur sensibilité aux caractéristiques des matériaux isolants prises en compte. Cette étude a également servi au choix des paramètres liés au substrat épitaxié et à la géométrie latérale et en surface des diodes (les paramètres technologiques étant fixés par ailleurs), pertinents pour l'étude expérimentale de leur tension de rupture, dans une gamme de 1 kV à 6 kV. En parallèle, la caractérisation électrique, au sein de structures Métal-Isolant-Semi-conducteur, du matériau de passivation primaire utilisé (dépôt épais de dioxyde de silicium), dans une gamme de température jusqu'à 300 °C, a permis de déterminer ses propriétés électriques, dont la rigidité diélectrique. Le travail a ensuite porté sur la caractérisation à température ambiante de la tension de rupture de la structure complète des différentes diodes fabriquées, effectuée sous vide et sous azote à la pression atmosphérique. Les comportements expérimentaux visualisés sous vide au moment du claquage, et couplés aux informations issues des simulations, ont notamment permis d'estimer les valeurs des champs maximaux induits dans les différents matériaux isolants, et de corréler leur impact avec les valeurs de rigidité diélectrique connues pour ces isolants. Les résultats complémentaires sous azote ont permis de confirmer certains paramètres technologiques et mécanismes mis en jeu lors du claquage des diodes d'autre part. Plusieurs conclusions utiles pour l'optimisation des paramètres technologiques (épitaxie et poche) et des couches isolantes de passivation et d'encapsulation (épaisseur, permittivité) de la diode 'haute tension' en SiC ont pu être dégagées de ces travaux.
With topics ranging from epitaxy through lattice defects and doping to quantum computation, this book provides a personalized survey of the development and use of silicon, the basis for the revolutionary changes in our lives sometimes called "The Silicon Age." Beginning with the very first developments more than 50 years ago, this reports on all aspects of silicon and silicon technology up to its use in exciting new technologies, including a glance at possible future developments.