Transistors en diamant pour électronique de puissance : études des matériaux et procédés technologiques

par Oluwasayo Loto

Thèse de doctorat en Nano electronique et nano technologies

Sous la direction de Etienne Gheeraert.

Soutenue le 18-12-2018

à Grenoble Alpes , dans le cadre de Electronique, Electrotechnique, Automatique, Traitement du Signal (EEATS) , en partenariat avec Institut Néel (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Christophe Vallée.

Le jury était composé de Hitoshi Umezawa.

Les rapporteurs étaient Jocelyn Achard, Daniel Araújo.


  • Résumé

    Avec la prise de conscience du changement climatique et le dévelopement des sources d’énergies renouvelables, une demande accrue pour une électronique de puissance plus fiable et plus efficace apparait. L’électronique de puissance basé sur les semi-conducteurs à grand gap (carbure de silicium, nitrure de gallium et diamant) vont apporter une réelle amélioration par rapport aux systèmes actuels basés sur des composants au silicium. Ces améliorations concernent en particulier une réduction des pertes, une plus grande tension de bloquage, une amélioration de l’efficacité et de la fiabilité des composants, mais aussi en réduisant les exigences thermiques.Le diamant, bien connu pour sa valeur en joaillerie, possède des propriétés électriques et thermiques très utiles pour l’électronique de puissance. Différent type de design et architectures de dispositifs ont été fabriqués à l'aide de diamant semi-conducteur avec ses caractéristiques électriques prometteuses et pouvant ainsi être intégré à des systèmes. Un dispositif Metal-Oxyde-Semiconductor-Field-Effect-Transistor (MOSFET) en diamant pseudo-vertical offre une densité de courant élevée ainsi que des valeurs de résistance et de claquage élevées nécessaires dans les systèmes haute tension.L’objectif de cette thése est de fabriquer le premier MOSFET de puissance diamant à effet de champ pseudo-vertical avec des valeurs de claquage allant jusqu’à 6,5 kV (20 mOhm.cm-2, 200 ° C). Ce travail porte sur la maîtrise des différents processus impliqués dans la réalisation du dispositif en commençant par la caractérisation du substrat cristallin de diamant suivi des croissances épitaxiales, la microfabrication et pour finir la caractérisation de dispositifs.Dans cette thèse, les étapes nécessaires à la réalisation du MOSFET de puissance pseudo-vertical sont présentées ainsi que trois étapes critiques dans la réalisation du dispositif, qui sont les problèmes liés au substrat, la propagation de défauts à travers les différents empilements de couches et la fiabilité de l'oxyde de grille sont abordés. Le choix de substrats de qualité sans défauts de polissage et avec une faibles densités de dislocations est nécessaire pour une croissance de qualité des différentes couches épitaxiées. Différents substrats ont été achetés et caractérisés. Le type de substrat le plus approprié pour la croissance d'épitaxie de qualité est déterminé après caractérisation par topographie à rayons X, mesures de cathodoluminescence et mesures électriques. La propagation des défauts est inévitable durant la croissance des quatre couches d’épitaxie successives nécessaires à la fabrication du transistor MOSFET pseudovertical. L’apparition de défauts peut provenir des différentes concentrations d’impuretés et du type de dopage entrainant une modification du réseau cristallin et la création de contrainte à l'interface. La topographie aux rayons X et les rocking curves ont été utilisées pour étudier les couches après croissance. Une solution pour effectuer une amélioration dans la croissance de cet empilement de couche est proposé.La fiabilité de la grille est généralement source de préoccupation dans les composant de type MOS. Le décalage de la tension de seuil pendant le fonctionnement est une conséquence des charges présentes dans l'oxyde et des états d'interface du dispositif. Un dispositif capacité MOS de type p a été utilisé pour étudier ce phénomène de manière expérimentale. L'influence du recuit post-oxydation à haute température s'est avérée bénéfique pour obtenir des paramètres d'oxyde de grille stables. Le décalage de la tension de bande plate a également été exploré par des mesures de stress en tension.Toutes les étapes nécessaires à la fabrication du transistor ont ainsi été mises au point séparément, et la technologie a été validée par la réalisation et la caractérisation électrique de transistors Metal-Semiconducteur FET et diodes Schottky.

  • Titre traduit

    Diamond transistor for power electronics : material and process technology development


  • Résumé

    Due to the increase in climate change awareness and development of renewable energy sources, there is an increasing demand for more reliable and efficient power electronics at the point generation, transmision and consumption. Power electronic devices based on wide bandgap semiconductor materials (SiC, GaN and Diamond) will result in substantial improvements in the performance of power electronics systems compared to silicon based devices. They will offer higher blocking voltages, improved efficiency and reliability, as well as reduced thermal requirements.Diamond, though mostly known for its gem value has electrical and thermal properties that are highly beneficial for power electronics. Various device types and device architecture such as diodes, MESFETs and MOSFETS have been made using semiconducting diamond with promising electrical characteristics that could see it incorporated into systems. A pseudo vertical diamond MOSFET device offers possible high current density as well low resistance and high breakdown values needed in high voltage power systems.The aim of this work is to fabricate the first pseudovertical diamond power MOSFET with breakdown values of up to 6.5 kV (20 mOhm.cm-2, 200°C. This work focuses on mastering the series of process involved in the device realization from substrate characterization through epilayer growth to the device microfabrication and the characterization.In this thesis, the detailed steps involved in realizing the pseudovertical power MOSFET has be presented and three critical challenges in the device realization namely substrate related issues, defect propagation through stacked epilayers and the gate oxide reliabiliy has been addressed. The choice of quality substrates free of polishing defects and with low dislocation densities is needed for quality epilayer growth. Different substrates has been procured and characterized. The best substrate type for quality epilayer growth determined after characterization by x-ray topography, cathodoluminescence and electrical measurements have been proposed. Defects propagation was observed in the four stacked epilayer growth needed for the pseudovertical MOSFET transistor. The occurence of defects seems to arise from different impurity concentrations and doping type leading to lattice mismatch and strain in the layers. X-ray topography and rocking curve imaging has been employed to study the grown layers. A method for improved stacked layer growth has also been proposed. The reliability of the gate stack is usually a concern for MOS based devices. The shift in the threshold voltage during operation is a consequence of oxide and interface charges in the device. A p-type MOSCAP device was used to study this phenomenon experimentally. The influence of high temperature post oxidation annealing was found to be beneficial for stable gate oxide parameters. The shift in the flatband voltage has also been monitored through bias stress measurements. The maximum effective charge 9.8E-11 cm-2 as a result of flatband shift was obtained. This value is the same order of magnitude as those observed in state of the art and commercially available SiC devices. All the steps necessary for the transistor fabrication has been developped independently , and technology has been validated by the fabrication and electrical characterization of MESFET and Schottky diodes.



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