Conception et caractérisations électriques de diodes de type TMBS et de transistors de type MOSFET en diamant pour la microélectronique de puissance

Design and electrical characterization of TMBS diodes and diamond MOSFETs for power microelectronics

• Auteur / Autrice : Ralph Makhoul
• Direction : Dominique Planson, Luong Viêt Phung
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 17/02/2022
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AMPERE - Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie Environnementale et Applications (Rhône) - Ampère / AMPERE
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : EE - Département Energie Electrique
• Jury : Président / Présidente : Jocelyn Achard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Planson, Luong Viêt Phung, Jocelyn Achard, Bilal Beydoun, Philippe Godignon, Karine Isoird, Josiane Tasselli
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bilal Beydoun, Philippe Godignon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transistors MOSFET

Diodes à barrière de Schottky

Électronique de puissance

Mots clés libres

Electronique de puissance

Composant de puissance

Diode TMBS

TMBS - Trench MOS Barrier Schottky

Diamant

Méthode éléments finis

Contact ohmique

Transistor MOSFET - Composant à effet de champ à grille isolée

Gravure séche

Power Electronics

Power Component

TMBS diode - Trench MOS Barrier Schottky diode

Trench MOS Barrier Schottky - TMBS

Diamond

Finite element method

Ohmic Contact

MOSFET - Metal Oxide SemiConductor Field Effect - Transistor

Dry etching

Résumé

L’augmentation de la consommation électrique mondiale nécessite l’amélioration des composants de puissance. Jusqu’à présent, la majorité de ces composants, principalement réalisés en Silicium, ont atteint un point de saturation en termes de compromis entre la tenue en tension et la résistance à l’état passant. Ainsi, les propriétés physiques intrinsèques prometteuses des semi-conducteurs à large bande interdite (SiC, GaN, Diamant) ouvrent la voie vers la réalisation des composants électroniques de puissance plus performants. Dans ce contexte, nos travaux portent sur la conception et la réalisation d’une diode TMBS (Trench MOS Barrier Schottky) verticale et d’un transistor MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) vertical à canal P et à grille en U en diamant qui supportent 6000 V et 1200 V respectivement à température ambiante. Ces deux structures ont été conçues dans le cadre du projet ANR MOVeToDIAM (MOS Vertical Tout DIAMant), coordonné par le LAAS-CNRS, dans la continuité des travaux sur diamant effectués au laboratoire depuis 2005. La conception de la diode TMBS et du transistor MOSFET est réalisée avec le logiciel SENTAURUS TCAD (Technology Computer Aided Design). Une méthodologie de conception est adaptée pour ces deux structures pour bien atteindre les critères de fonctionnement souhaités. Pour terminer, des briques technologiques essentielles ont été développées afin de réaliser la diode TMBS et le transistor MOSFET. Dans un premier temps, des contacts ohmiques sur des échantillons en diamant type P ont été réalisés, puis caractérisés électriquement à l’aide des motifs TLM (Transmission Line Method) droit. Ensuite, un procédé de gravure sèche RIE-ICP (Reactive Ion Etching – Inductive Coupled Plasma) a été développé pour obtenir la réalisation de la structure MESA de la diode TMBS et aussi pour l’ouverture de la grille en U du transistor MOSFET. Enfin, un dépôt de différents diélectriques (SiO2, Si3N4 et Al2O3) sur des échantillons en diamant a été réalisé afin d’évaluer la qualité du dépôt du diélectrique.

The increase of the world electrical consumption requires the improvement of power devices. Until now, most of these devices, mainly made of Silicon, have reached a saturation point in terms of compromise between voltage holding capability and on-state resistance. Thus, the promising intrinsic physical properties of wide bandgap semiconductors (SiC, GaN, Diamond) open the way to the realization of more efficient power electronic components. In this context, our work focuses on the design and realization of a vertical TMBS (Trench MOS Barrier Schottky) diode and a vertical P-channel MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) with a diamond U-gate that can withstand 6000 V and 1200 V respectively at room temperature. These two structures have been designed in the framework of the ANR project MOVeToDIAM (MOS Vertical Tout DIAMant), coordinated by LAAS-CNRS, in the continuity of the work on diamond carried out in the laboratory since 2005. The design of the TMBS diode and the MOSFET transistor is realized with the SENTAURUS TCAD (Technology Computer Aided Design) software. A design methodology is adapted for these two structures to achieve the desired operating criteria. Finally, essential technological bricks have been developed to realize the TMBS diode and the MOSFET transistor. First, ohmic contacts on P-type diamond samples have been realized, then electrically characterized using the right TLM (Transmission Line Method) patterns. Then, a RIE-ICP (Reactive Ion Etching - Inductive Coupled Plasma) dry etching process was developed to obtain the realization of the MESA structure of the TMBS diode and also for the opening of the U-gate of the MOSFET. Finally, a deposition of different dielectrics (SiO2, Si3N4 and Al2O3) on diamond samples has been performed in order to evaluate the quality of the dielectric deposition.