Etude et réalisation d'un interrupteur de puissance monolithique bidirectionnel sur substrat SOI

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• Auteur / Autrice : François Ihuel
• Direction : Laurent Ventura, Nathalie Batut
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 19/06/2012
• Etablissement(s) : Tours
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Laboratoire GREMAN (Tours)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : École polytechnique universitaire (Tours)
• Jury : Président / Présidente : Marc Lethiecq
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Christophe Crebier, Dominique Tournier, Benjamin Morillon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Danielle Andreu, Abdelilah Slaoui

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métallisation

Éléments finis, Méthode des

Silicium -- Substrats

Transistors bipolaires

Interrupteurs électriques

Mots clés libres

Interrupteur monolithique

Transistor bipolaire

Bidirectionnalité

Commandabilité

Faible perte

Autoblindage

SOI

Base fine

Recuit CTA

Simulation numérique

Ségrégation

Monolithic switch

Bipolar transistor

Bidirectionality

Commandability

Low losses

Shielding effect

SOI

Thin base

CTA

Realization

Segregation

Simulation

Résumé

Ces travaux traitent de la réalisation d’un prototype d’interrupteur monolithique bidirectionnel à base de transistor bipolaire. A terme, l’objectif est de développer un interrupteur intelligent à faible perte, complètement intégrable dans l’habitat. Nous nous intéressons d’abord aux composants bidirectionnels existants. Nous présentons ensuite deux transistors bipolaires bidirectionnels. Le premier à base large, de fabrication aisée. Le second, symétrique, latéral, sur substrat SOI, à base fine, verticale, autoprotégée, très novateur. Nous les comparons et optons pour le transistor latéral à base fine, puis discutons les différentes étapes de sa fabrication et montrons qu’elle constitue un véritable challenge. Ensuite, nous détaillons une méthodologie analytique 1D permettant de déterminer les éléments clefs de fabrication de la partie active du transistor. L’étude est validée par des simulations 2D numériques par éléments finis. Nous continuons par une réflexion sur la périphérie du composant et sa métallisation. Nous détaillons les variantes de réalisation envisagées et montrons que ce composant est robuste vis-à-vis des désalignements entre les masques lors de la fabrication. Finalement, nous caractérisons les transistors fabriqués. Initialement le dispositif est parasité par des effets de ségrégation des dopants aux interfaces SiO2 / Si. Nous expliquons qu’il est possible de contrecarrer ces effets, pour finalement valider le concept de transistor bipolaire symétrique latéral sur substrat SOI, à base fine, verticale, autoprotégée.

This study deals with the realization of a prototype of a low losses monolithic bidirectional switch. It is based on a SOI symmetrical and lateral bipolar transistor with a thin, vertical and shielded base. The goal is to produce a switch which can be integrated to smart electronics functions. First, we compare the existing bidirectional solutions. We then introduce two bidirectional bipolar transistors: one with a wide base, easy to realize, and the other one, patented, symmetrical and lateral, using a SOI substrate, with a thin, vertical and shielded base. We compare these two devices and choose the novel and patented lateral bipolar transistor. We then discuss the challenge of its fabrication. We then detail a 1D analytical methodology allowing to define rapidly the key steps of the active area transistor realization. The study is then confirmed by finite element 2D numerical simulations (Sentaurus). Next, we discuss the periphery and metallization of the device. We detail the variant of process introduced. We finally show that this component is robust to masks misaligning during its fabrication. To the end, the transistors are realized and analyzed. We show that, initially, the segregation of dopants at SiO2 / Si interfaces implies a parasiting canal in parallel of the transistor. We then explain how to reduce these parasiting effects, to finally validate the concept of a symmetrical and lateral bipolar transistor on a SOI substrate, with a thin, vertical, shielded base.