Elaboration et caractérisation de contacts électriques à base de phases MAX sur SiC pour l'électronique haute température

Elaboration and characterization of MAX phase based electrical contacts on SiC for high temperature electronics

• Auteur / Autrice : Valdemar Abou Hamad
• Direction : Laurent Gremillard, Maher Soueidan, Youssef Zaatar
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des matériaux
• Date : Soutenance le 22/09/2020
• Etablissement(s) : Lyon en cotutelle avec Université Libanaise. Faculté des Sciences (Beyrouth, Liban)
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1992?-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : MATEIS - Matériaux : Ingénierie et Science - UMR 5510 (Rhône) - Matériaux- ingénierie et science [Villeurbanne] / MATEIS
• Jury : Président / Présidente : Yvon Cordier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Gremillard, Maher Soueidan, Youssef Zaatar, Yvon Cordier, Michel Kazan, Sara Najem
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yvon Cordier, Michel Kazan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électronique de puissance

Mots clés libres

Microélectronique

Electronique de puissance

Matériaux

Réactivité

Haute température

Contact ohmique

Carbure de silcium

Composant électronique

Substrat en Silicium

Films minces

Résistance thermique

Microelectronics

Power Electronics

Materials

Reactivity

High temperature

Ohmic Contact

Silcium carbide

Electronic Component

Silicon Substrate

Thin films

Thermal resistance

Résumé

Les applications de puissance dans lesquelles la température ambiante est élevée, provoquent l’augmentation de la température dans les dispositifs électroniques. De ce fait, il est important de développer les dispositifs électroniques pour pouvoir supporter des densités de courant et de puissance plus élevées. Dans cette thèse, nous avons pour objectif de jeter les bases d’une technologie en totale rupture avec celles existantes pour la fabrication d’une nouvelle génération de contacts électriques à base de Ti3SiC2, stables, fiables et reproductibles sur le Carbure de Silicium pour les applications à très hautes températures (300 – 600ºC). Deux méthodes d’élaborations seront étudiées, dans cette thèse, pour synthétiser le Ti3SiC2. La première est par voie réactionnelle, et la deuxième approche consistera à utiliser la technique Pulsed Laser Deposition (PLD), en utilisant une cible de Ti3SiC2. Le but est de développer des contacts ohmiques de bonne qualité. Des caractérisations physico-chimiques, électriques (TLM) et mécaniques (W-H et RSM) ont été effectuées sur les contacts de Ti3SiC2. Ces échantillons ont subi un vieillissement, à 600ºc pendant 1500h sous Argon, dans le but d’étudier la stabilité et la fiabilité des contacts électriques aux hautes températures. Les résultats des caractérisations ont montré que la fiabilité et la stabilité chimique entre Ti3SiC2 et SiC ont permis aux contacts de garder le comportement ohmique avec une faible résistivité électrique et un bon comportement mécanique, même après 1500h de vieillissement. De plus, les simulations réalisées ont servi à déterminer l’effet des ITR sur la dissipation de la chaleur et sur les contraintes mécaniques exercées sur une diode PN haute puissance. Dans cette thèse, nous avons montré qu’un contact ohmique, à base de Ti3SiC2, peut rester stable et fiable sur un substrat 4H-SiC, dans des températures allant jusqu’à 600ºC.

Power applications in which the ambient temperature is high, cause the increase of temperature in electronic components. Therefore, it is important to develop electronic devices that are able to withstand high current and high-power densities. In this thesis, our objective is to lay the foundations of a new technology for the manufacture of a new generation of Ti3SiC2 MAX phase-based electrical contacts, stable, reliable and reproducible on Silicon Carbide for very high temperature applications (300 - 600ºC). To synthesize Ti3SiC2 on SiC, two elaboration methods were studied in this thesis. The first approach is a reaction method, and the second approach consists on using a Ti3SiC2 target via the Pulsed Laser Deposition (PLD) technique. Our goal is to develop a good quality ohmic contacts. Physico-chemical, electrical (TLM) and mechanical (W-H and RSM) characterizations were performed on the Ti3SiC2 contacts. These samples underwent a thermal aging test at 600°C for 1500 hours under Argon, in order to study the stability and reliability of the electrical contacts at high temperatures. The obtained results showed that the reliability and the chemical stability between Ti3SiC2 and SiC allowed the contacts to keep an ohmic behavior with low electrical resistivity, in addition to a good mechanical behavior, even after 1500 hours of aging at 600ºC. Furthermore, the thermomechanical simulations performed were used to determine the effects of Interfacial Thermal Resistances on the heat dissipation and the mechanical stresses exerted on a high power PN diode. In this thesis, we have shown that an ohmic contact, based on Ti3SiC2, can remain stable and reliable on a 4H-SiC substrate, in temperatures up to 600ºC.