Transistor de type JFET en diamant controlé électro-optiquement

Diamond electro-optically controlled JFET

• Auteur / Autrice : Martin Kah
• Direction : Julien Pernot, Nicolas Rouger
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Nano électronique et Nano technologies
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel
• Jury : Président / Présidente : Etienne Gheeraert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julien Pernot, Jocelyn Achard, Ken Haenen, Nicolas Rouger, Mariko Suzuki, Florin Udrea
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jocelyn Achard, Ken Haenen

Mots clés

Mots clés libres

Diamant

Electronique de puissance

Transistors

Mosfet

Jfet

Photo-Switch

Electro-optic

Diamond

Transistors

Power electronic devices

Jfet

Photo-Switch

Résumé

L'augmentation de la densité de population urbaine et la demande croissante d'électricité pour une production décentralisée des points de consommation, souligne la nécessité d'améliorer nos infrastructures de transport et de conversion électrique, notamment face aux défis posés par son stockage. L'hégémonie des composants à base de silicium pour l'électronique de puissance arrive à son terme aux grands bénéfices des semiconducteurs à ultra-large bande interdite, tel que le diamant, reconnu pour exceller dans ce domaine grâce à: la grande mobilité des électrons et des trous (1060-2100 cm^2/V.s respectivement), un champ électrique critique élevé (10 MV/cm) et une conductivité thermique élevée (22 W/cm.K). Grâce à ses propriétés physiques exceptionnelles, le diamant offre de nouvelles applications multidisciplinaires, allant au-delà de l'électronique de puissance, tout en restant compatible avec celle-ci, telles que: la détection de signaux électriques, optiques et magnétiques localisés et la communication sécurisée dans des environnements difficiles. Le développement de dispositifs en diamant capables de stocker non-volatilement des charges et d'adresser des dispositifs intégrés individuels est essentiel pour créer des systèmes monolithiques à base de diamant, bénéfiques pour les futurs systèmes de conversion de puissance intelligents implantables sur le réseaux électrique, ou les environnements difficiles. Malgré plusieurs limitations technologiques, notamment les difficultés de fabrication relatives à la petite taille des substrats standards; la qualité des couches de diamant synthétiques et le dévelloppement d'architectures de composants dédiés à ce dernier ont permit des progrès considérables au cours des dernières décennies. Cette thèse est dédiée au développement de transistors à effet de champ à jonction (JFET) en diamant et de grande taille, pouvant être contrôlés électro-optiquement et utilisés comme mémoires non-volatiles. L'optimisation de la double fonctionnalitée de ces composants présente un interêt majeur dans le développement des futurs technologie à base de diamant. Premièrement, dans le domaine de l'électronique de puissance, il est nécessaire de démontrer le véritable potentiel des composants à base de diamant au travers de composants de grande taille. Les dispositifs de pointe, souvent optimisés pour de petites zones actives, excellent généralement soit dans la gestion d'une densité de courant élevé, soit dans les forts champs électriques, mais rarement dans la combinaison des deux. En conséquence, aucun dispositifs capables de conduire 1 A à l'état passant et de supporter 1 kV à l'état bloqué, n'a encore émergé. Pour répondre à ce point, une conception optimisée des JFETs latéraux a été proposée, fabriquée et charactérisée, en se basant sur une géométrie interdigitée. Des résultats en deçà des attentes initiales ont été rapportés, mais ils restent positifs et permettent néanmoins de valider le potentiel de ce type d'architecture. Deuxièmement, la fabrication, la caractérisation et l'optimisation d'un commutateur photo-électrique non volatile à base de diamant ont été réalisées. Depuis la première publication de cette structure innovante au début de cette thèse, l'architecture optimisée, avec un contact de grille plus proche de la zone active des transistors, présente de meilleure fréquence de commutation pour un courant de fuite inchangé. L'augmentation de l'efficacité de collection lumineuse du dispositif, spécifiquement en supprimant les contacts métallique non transparent, devrait permettre de réduire les temps de commutation du dispositif d'au moins un ordre de grandeur supplémentaire. De plus, la robustesse de l'état bloqué non volatile a été maintenue pendant plus de deux jours. L’optimisation de ces composants est une brique technologique supplémentaire démontrant la large gamme d'application du diamant qui au vue de sa maturitée croissante, sucite un interêt commercial grandissant.

Increasing population density within compact urban regions, when juxtaposed with the preferred decentralized electricity generation and its increasing demand, underscores the necessity of enhancing our electrical transport and conversion infrastructures, particularly in light of the challenges posed by its storage. Silicon-based power devices, which currently form the backbone of various conversion stages, have nearly reached their theoretical limits and the only road to improve their performance is to use new materials with better properties. Among potential candidates, diamond with outstanding physical properties is the ultimate semiconductor for power electronics that couple high power handling, high switching frequency, low losses and high thermal management capabilities. Besides being the hardest material, diamond possesses the best properties among ultra-wide band gap semiconductors including its high electron-hole mobility (1060-2100 cm^2/V.s respectively), high critical electric field (10 MV/cm) and high thermal conductivity (22 W/cm.K). Thanks to its exceptional physical properties diamond offers novel opportunities for a wide range of multi-disciplinary application, extending beyond to, but potentially compatible with, power electronics, like: localized electric, optic and magnetic signal probing, reliable data processing, and secure communication in both harsh and in-vivo biological environments. The development of diamond devices capable of non-volatile charge storage and individual embedded devices addressing is essential for creating monolithic diamond-based systems, highly beneficial for future intelligent power conversion system implantable in smart grids or aerospace harsh environment. Despite several technological limitations and bottlenecks that need to be addressed in order to extract diamond’s full potential, like the challenging device fabrication due to small standard substrate size, lab-grown diamond layer quality and dedicated device architecture have made considerable progresses over the last decades. This thesis is dedicated to the development of large-scale diamond-based Junction Field Effect Transistors (JFET) that can be electro-optically controlled and used as non-volatile memory devices. The optimization of these components, which serve dual purposes, is crucial for the future road-map of diamond technology. Firstly, in the realm of power electronics, there is a need for a true demonstration of large scale diamond devices potential. State-of-the-art devices, often optimized for small active areas, typically excel in either high current density handling or high breakdown field but seldom in combination of both. As a result, devices capable of both conducting 1 A in ON-state and withstanding 1 kV in the OFF state have yet to be demonstrated. On this purpose, the optimization of lateral JFET design especially diamond layer inner properties and inter-digited geometry modelisation has been proposed. Results below initial expectations have been reported but still holding the promise of achievability for the technical specification mentioned herein-above. Secondly, fabrication, characterization and optimization of a diamond-based JFET non volatile photo-switch has been achieved. Since the first demonstration of the structure at the early stage of this thesis, architecture featuring gate contact closer to the active area of the fabricated transistors exhibits better dynamics for equivalent leakage current. Increasing the light collection efficiency of the device by removing non-transparent metallic contact is expected to lower the commutation time of the device by at least one order of magnitude. Additionaly, robustness of the non-volatile OFF state have been reported over more than two days. By combining both functionalities, diamond technology is poised to capture the attention of researchers and companies, thereby driving further development and eventual commercialization.