Transistors MOS en diamant pour l'électronique de puissance

Diamond MOSFET for power electronics

• Auteur / Autrice : Cédric Masante
• Direction : Julien Pernot, Nicolas Rouger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 18/12/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Alain Sylvestre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hitoshi Umezawa, Sylvie Contreras, Jocelyn Achard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Robert J. Nemanich

Mots clés

Mots clés contrôlés

Semiconducteurs à large bande interdite

Électronique de puissance

Transistors à effet de champ

MOS (électronique)

Mots clés libres

Diamant

Transistor

Électronique

Diamond

Transistor

Electronics

Mosfet

Deep depletion

Résumé

Dans le contexte d'un besoin croissant de dispositifs semi-conducteurs de puissance, étant donné que de plus en plus d'applications, des moteurs aux réseaux de ditribution électriques, nécessitent des convertisseurs DC/AC, AC-DC ou DC-DC avec des rendements et des densités de puissance de plus en plus élevées, la recherche de nouvelles solutions est essentielle. Les matériaux à large bande interdite ont déjà démontré leurs propriétés physiques supérieures pour ce type d'applications, en raison de leur capacité à supporter des densités de courant et des tensions plus élevées que les dispositifs à base de silicium. Parmi eux, le diamant est un matériau à ultra-large bande interdite (5,5 eV) avec l'un des champ électrique critiques le plus élevé, ce qui, associé à sa grande conductivité thermique (22 W/cm.K) et à sa mobilité des trous (2000 cm²/V.s) en fait un semi-conducteur particulièrement intéressant pour l'électronique de puissance. Malgré la fabrication difficile des dispositifs à base de diamant en raison de la petite taille des substrats disponibles à l’heure actuelle (quelques mm²), le diamant est toujours activement étudié avec des progrès constants.Cette thèse porte sur la conception, la fabrication et la caractérisation de Transistors Métal-Oxyde-Semiconducteur à Effet de Champ (MOSFET), qui tirent parti de la large bande interdite du diamant pour concevoir une architecture originale de dispositif basée sur un régime stable d'appauvrissement profond. L'optimisation de ces dispositifs sera établie en fonction des modèles physiques à l’état de l’art, puis des dispositifs de test expérimentaux seront analysés pour mieux comprendre la physique du MOSFET sur diamant. Enfin, une évaluation des performances par rapport à d'autres semi-conducteurs et aux dispositifs en diamant existants sera présentée. Plusieurs perspectives de ces performances ainsi que d'architectures originales spécifiques au diamant seront présentées.

In the context of a growing need for power semiconductor devices, as more and more applications from motor drives to power grids requires DC/AC, AC-DC or DC-DC converters with higher efficiencies and higher power densities, the research on new solutions is essential. Wide band gap materials have already shown their superior physical properties for this kind of applications, due to their ability to sustain larger current power densities and voltages compared to silicon based devices. Amongst them, diamond is an ultra-wide band gap material (5.5 eV) with one of the highest critical electric field capability , which coupled with its great thermal conductivity (22 W/cm.K) and hole mobility (2000 cm²/V.s) makes it a particularly interesting semiconductor for power electronics. Despite the challenging fabrication of diamond based devices due to the small standard substrate size (a few mm²), diamond is still being actively studied with constant progresses.This thesis is focused on the design , fabrication and characterization of diamond Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistors (MOSFETs) which takes advantage of the wide band gap of diamond to design an original device architecture based on a stable deep depletion regime. The design optimization of such devices will be established according to the state of the art physical models, then experimental test devices will be analysed to better understand the physics of the diamond MOSFET. Finally, a performance evaluation in comparison to other semiconductors and existing diamond devices will be presented. Several perspectives from these performances as well as from original architectures specific to diamond will be drawn.