Diamond unipolar devices : towards impact ionization coefficients extraction

par Khaled Driche

Thèse de doctorat en Nano electronique et nano technologies

Sous la direction de Etienne Gheeraert.

Le président du jury était Denis Dauvergne.

Le jury était composé de Toshiharu Makino, Noriyuki Iwamuro, Hajime Okumura, Hitoshi Umezawa.

Les rapporteurs étaient Satoshi Yamasaki, Farid Medjdoub.

  • Titre traduit

    Composants unipolaires à base de diamant : vers l'extraction des coefficients d'ionisation par impact


  • Résumé

    97% des articles publiés sur les études climatiques racontent que le réchauffement climatique est entièrement causé par les activités humaines. Les gaz émis lors de la production d'énergie électrique ainsi que d'autres gaz rejetés par les voitures ont un réel impact sur l'atmosphère. Une solution consiste à mettre au point des composants présentant des pertes de conduction plus faibles et des caractéristiques de claquage plus élevées qui pourraient être utilisés dans des centrales nucléaires, des cellules de commutation à haute puissance, des voitures hybrides (électriques), etc.De nos jours, les composants à base de silicium contrôlent environ 95% des dispositifs électroniques. Le carbure de silicium SiC et le nitrure de gallium GaN sont actuellement à l’étape de R&D, et commencent à être intégrés dans certains circuits électroniques. D'autres matériaux tels que Ga2O3, AlN ou le diamant sont encore à l’étape de recherche. Les derniers sont connus sous le nom de matériaux à bande ultra large et semblent être la solution requise pour les faibles pertes de puissance. Le diamant est reconnu comme le matériau ultime pour la prochaine génération de composants de puissance en raison de ses propriétés physiques exceptionnelles telles qu'un champ de claquage élevé (>10 MV/cm) permettant d'utiliser le dispositif pour une commande de puissance élevée, une mobilité de porteurs élevée (2 000 cm^2/V.s pour les trous), une vitesse de saturation élevée, une conductivité thermique élevée (22 W/cm.K) pour une parfaite dissipation de chaleur et une faible constante diélectrique. Théoriquement, le diamant est le semi-conducteur offrant le meilleur compromis entre résistance à l'état passant et tension de claquage. En particulier, en raison de l'ionisation incomplète des dopants, il est encore plus efficace à haute température. Diverses diodes Schottky en diamant (SBD) avec de bonnes performances à l’état passant et bloqué (7,7 MV/cm) ont été rapportées. En plus des SBDs, des transistors à effet de champ (FET) ont également été étudiés à travers des oxyde-métal semi-conducteur FETs (MOSFETs) utilisant une surface hydrogénée avec des densités de courant élevées à l'état passant ou des surface oxygéné avec de bonnes caractéristiques de blocage. Pour les composants de haute-tension, il est nécessaire de changer l’architecture de l’électrode afin d’éviter un claquage prématuré due à l’encombrement du champ électrique aux bords. Dans ce but, les techniques de terminaison de bord sont utilisées pour atteindre les caractéristiques idéales. La tâche évidente avant toute fabrication de composant est la partie simulation qui prédit l’optimisation de l’architecture et les caractéristiques attendues. Une bonne prédiction nécessite la connaissance des paramètres du matériau. Les paramètres importants pour le claquage sont les coefficients d'ionisation par impact. Plusieurs coefficients ont été publiés pour le diamant. Toutefois, ils ont été extraits en « fittant » des structures non optimisées, d'où un manque de précision.Dans cette étude, deux structures de terminaisons de bord pour des diodes Schottky, appelées plaque de champ et anneaux à champ flottant, ont été étudiées. Leur efficacité de distribution du champ de surface par analyse de courant induit par faisceau d'électrons (EBIC) a été observée. De plus, des FETs ont été fabriqués et caractérisés, un MESFET et un RB-MESFET. Les FETs présentent un claquage élevé, jusqu’à 3 kV et une faible résistance. Le développement des transistors est indissociable de la diode Schottky, car ils sont tous deux nécessaires à la fabrication de cellules de commutation. Et enfin, les coefficients d'ionisation par impact pour les électrons ont été mesurés à l'aide d’EBIC pour un champ >0,5 MV/cm dans une région sans défaut. Les valeurs mesurées sont (sous l’equation de Chynoweth) an = 971 /cm et bn=2,39x10^6 V/cm. Ces valeurs sont proches des coefficients mesurés expérimentalement et rapportés dans la littérature.


  • Résumé

    97% of the published climate studies articles agree with the fact that recent global warming is entirely caused by human activities. The gases emitted to produce electrical energy plus other gases rejected by cars impact considerably on the atmosphere by greenhouse effect (without referring other factors). A solution to this problem is the development of components with lower power conduction losses and higher breakdown characteristics that could be used in nuclear power plants, high power commutation cells, hybrid (electric) cars and so on.The choice of the material to reach low power conduction losses and higher breakdown is of great importance. Nowadays, silicon-based devices control about 95% of all electronic components. Silicon carbide SiC and gallium nitride GaN are at present under research and development and start to be integrated into some electronic circuits. Other materials like Ga2O3, AlN or diamond are under research for power electronic application. The last ones are known as ultra wide bandgap materials and they seem to be the required solution to low power losses. Diamond is recognized as the ultimate material for the next next-generation of power devices owing to its exceptional physical properties such as high breakdown field (>10 MV/cm) to use the device for high power control, high carrier mobility (2000 cm^2/V.s for holes) for fast switching and high frequency devices, high saturation velocity, high thermal conductivity (22 W/cm.K) for a perfect heat dissipation and low dielectric constant. Theoretically, diamond is the best semiconducting material showing the best trade-off between on-resistance and breakdown voltage. Especially, due to the incomplete ionization of the dopant, it is even more efficient at high temperature. Various diamond Schottky barrier diodes (SBDs) with good forward and reverse performances (7.7 MV/cm) were reported. In addition to SBDs, switches diamond field effect transistors (FETs) were also investigated through metal-oxide-semiconductor FETs (MOSFETs) using either an H-terminated diamond surface with high current densities in on-state or an O-terminated one with high blocking characteristics. For the high blocking voltage devices, one needs to properly terminate the edge of the electrode at the surface in order to avoid premature breakdown of the devices due to electric field crowding at the borders. In that aim, edge termination (ET) techniques are used to push the limit of the devices and reach ideal features. The obvious task before any device fabrication if the simulation part that predicts the device optimization and expected characteristics. A good device prediction requires knowledge of the material parameters. Important parameters for device breakdown in the off-state are the impact ionization coefficients. At present, several ionization coefficients were reported for diamond, however, they were extracted by fitting non-optimized structures and hence there is a lack of accuracy.In this study, two edge terminations structures for Schottky barrier diodes called field plate (FP) oxide and floating field rings were investigated. Their effectiveness in surface field distribution via electron beam induced current (EBIC) analysis was observed. In addition, normally-on FETs were fabricated and characterized, a MESFET and a reverse blocking (RB)-MESFET. The FETs exhibited a high BV, up to 3 kV and a low on-resistance. The development of transistors is inseparable from the Schottky diode since both are required to fabricate commutation cells. And finally, impact ionization coefficients for electrons were measured using EBIC for a field >0.5 MV/cm in a defect-free region. The measured values are (in a Chynoweth form) an = 971 /cm and bn = 2.39x10^6 V/cm. These values are close to the experimentally measured coefficients reported in the literature.


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