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Le carbure de silicium (SiC) est un materiau semi-conducteur a large bande d'energie interdite. Ce materiau possede des caracteristiques en temperature et une tenue aux champs electriques bien superieures a celles du silicium. Les dispositifs a base de ce materiau (SiC) sont bien adaptes pour fonctionner dans des environnements a haute temperature, haute puissance, haute tension et haute radiation. Ces caracteristiques permettent des ameliorations significatives dans une grande variete d'applications et de systemes de puissance. Dans ce travail on presente des etudes analytiques comparatives des modeles des composants a semi-conducteurs en SiC, ainsi que les principales caracteristiques statiques, dynamiques, et thermiques des meilleurs composants comme SiC-JFET, SiC diode Schottky et le SiC-MOSFET, de puissance commercialises de different constructeurs en raison d'elaborer un plan de choix guidant les concepteurs des circuits d'electronique de puissance de selectionner le composant le plus adapte a leur cahier de charge selon leurs objectifs et selon les performances de leurs convertisseurs de puissance.
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.
Les composants actifs en électronique de puissance sont principalement à base de Silicium. Or, le silicium a des limites en termes de température d'utilisation, fréquence de commutation et de tenue en tension. Une alternative au Si peut être les semi-conducteurs à grand gap tels que le SiC-4H. Grâce aux travaux de plusieurs équipes de chercheurs dans le monde, les performances s'améliorent d'année en année. Le laboratoire AMPERE conçoit, réalise et caractérise des composants de puissance en SiC-4 H. Cette thèse s'inscrit dans les projets SiCHT2 et VHVD du laboratoire. Le travail réalisé au cours de cette thèse repose sur la conception la fabrication et la caractérisation électrique de composantes haute tension en SiC-4H. Les paramètres de protection pour la diode bipolaire 6500V sont optimisés à l'aide des simulations à base d'éléments finis. Les paramètres du SiC pour les modèles utilisés pour la simulation sont développés par des travaux précédents. Ensuite, le masque est dessiné. La diode est réalisée chez IBS. La première caractérisation est effectuée avant le recuit post-métallisation en directe et inverse sans passivation finale. Après le recuit post-métallisation la résistance de contact est plus faible. La caractérisation de la tenue en tension a été effectuée à AMPERE puis à l'ISL à très haute tension. A l'aide de simulations à base d'éléments finis, les paramètres tels que la résistance de contact et la durée de vie des porteurs ont été affinés à partir des caractérisations électriques obtenues par l'expérience. Les autres travaux portent sur la conception, les optimisations et les fabrications des diodes 10 kV et transistors 6500 V.
Le carbure de silicium (SiC) possède plusieurs propriétés exceptionnelles comme une large bande interdite, un champ électrique critique et une vitesse de saturation des porteurs élevée pour remplacer le silicium (Si) dans des domaines de fonctionnement jusque-là inaccessibles avec le Si. Un nombre important de démonstrateurs des composants de puissance en SiC faisant état de performances remarquables ainsi que la disponibilité commerciale des composants en SiC confirment la maturité de la filière SiC et montrent les progrès technologiques réalisés au cours des dernières années. Cependant, il existe peu d'études sur les coefficients d'ionisation du SiC, lesquels sont pourtant indispensables pour prévoir précisément la tenue en tension des composants de puissance en SiC. Ce travail contribue donc à mieux déterminer ces coefficients. Pour cela, un bon nombre de diodes spécialement conçues pour la détermination des coefficients d'ionisation du SiC par la technique OBIC (Optical Beam Induced Current) ont été réalisées sur différents wafers de SiC-4H et de SiC-6H, deux polytypes courant du SiC. Cette technique repose sur un faisceau de laser ultraviolet qui génère des paires électrons-trous dans la zone de charge d'espace d'une diode sous test. La mesure du courant résultant permet d'accéder aux coefficients d'ionisation. A partir des mesures OBIC sur les diodes réalisées, nous avons pu déduire les coefficients pour ces deux polytypes du SiC. Plus particulièrement, les coefficients d'ionisation du SiC-4H sont déterminés dans une large gamme de champ électrique grâce aux mesures sur les différents dopages. Les paramètres des coefficients déterminés dans ce travail peuvent être utilisés en conception de dispositifs haute tension pour prédire plus précisément l'efficacité de leur protection périphérique.
The book presents an in-depth review and analysis of Silicon Carbide device processing. The main topics are: (1) Silicon Carbide Discovery, Properties and Technology, (2) Processing and Application of Dielectrics in Silicon Carbide Devices, (3) Doping by Ion Implantation, (4) Plasma Etching and (5) Fabrication of Silicon Carbide Nanostructures and Related Devices. The book is also suited as supplementary textbook for graduate courses. Keywords: Silicon Carbide, SiC, Technology, Processing, Semiconductor Devices, Material Properties, Polytypism, Thermal Oxidation, Post Oxidation Annealing, Surface Passivation, Dielectric Deposition, Field Effect Mobility, Ion Implantation, Post Implantation Annealing, Channeling, Surface Roughness, Dry Etching, Plasma Etching, Ion Etching, Sputtering, Chemical Etching, Plasma Chemistry, Micromasking, Microtrenching, Nanocrystal, Nanowire, Nanotube, Nanopillar, Nanoelectromechanical Systems (NEMS).
This book relates the recent developments in several key electrical engineering R&D labs, concentrating on power electronics switches and their use. The first sections deal with key power electronics technologies, MOSFETs and IGBTs, including series and parallel associations. The next section examines silicon carbide and its potentiality for power electronics applications and its present limitations. Then, a dedicated section presents the capacitors, key passive components in power electronics, followed by a modeling method allowing the stray inductances computation, necessary for the precise simulation of switching waveforms. Thermal behavior associated with power switches follows, and the last part proposes some interesting prospectives associated to Power Electronics integration.
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