Conception, réalisation et caractérisation de diodes pin en carbure de silicium (SiC) pour applications micro-ondes de puissance

Silicon carbide, SiC, pin diode, microwave, power applications, X-Band

• Auteur / Autrice : Nicolas Camara
• Direction : Jean Brini, Panos Tzanetakis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et nanoélectronique
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Grenoble INPG

Mots clés

Mots clés contrôlés

Commutation (électricité)

Diodes PIN

Micro-ondes

Carbure de silicium

Résumé

Une large bande interdite (3eV), un fort champ de claquage (3MV /cm), une excellente conductivité thermique (3 à 5 fois supérieure à celle du Silicium) constituent des atouts majeurs qui font du SiC un excellent candidat pour des applications haute température, forte puissance et hyperfréquences. Concernant les applications combinées puissance/hyperfréquences, les diodes pin SiC permettent d'envisager des interrupteurs micro-ondes avec des puissances de charge de l'ordre de 2KW. Le développement de ces composants, qui doivent supporter des tensions très élevées (1000 V), nécessite un effort important dans la réalisation des étapes technologiques et en particulier dans l'élaboration et la gravure des couches épitaxiées, mais également dans l'optimisation des contacts ohmiques et des couches de passivation. L'objectif de cette thèse a donc été la fabrication et la caractérisation de ces diodes pin SiC supportant jusqu'à 1000 V et fonctionnant comme interrupteur dans des gammes de fréquence allant jusque 10GHz. Les commutateurs hautes puissances fabriqués à partir des diodes pin SiC que nous avons réalisées, permettent, pour des signaux de 10GHz, des pertes d'insertion de moins de 1dB et une isolation de l'ordre de 25dB. Des puissances d'entrée du commutateur de puissance de l'ordre de 2kW peuvent être dissipées. Les diodes pin SiC que nous avons fabriquées sont performantes jusqu'à des températures de l'ordre de 600°C et commutent bien plus vite que les diodes pin silicium équivalentes. Il est montré dans cette thèse, pour la première fois de façon expérimentale, l'avantage des diodes pin SiC par rapport aux diodes pin Silicium commerciales en terme de commutation des signaux micro-ondes. Ces nouvelles diodes pin SiC permettent d'envisager de nouvelles générations de déphaseurs, de limiteurs, commutateurs et autres briques de base du monde des micro-ondes.

P-i-n diodes are widely used UHF discrete semiconductor diode components. UHF power switching devices based on p-i-n diodes are basic components of complex commutation systems, discrete phase shifters, pulse modulators and active protectors. The capability of handling high power loads and of switching high voltage signais is the most important characteristic of switching devices for a number of applications, for example, in active protectors of complex transceiver systems, UHF ovens with rotating field and microwave sources of electrons. Currently, tube devices or multi-diode switches are used to handle these large power loads since silicon p-i-n diodes can only switch microwave power up to few kW (pulsed). A wide bandgap (3e V), a high critical field (3MV / cm), as good thermal conductivity (3 to 5 times higher than Silicium) allow to think SiC as the best potential candidate for high temperature, high power and high frequency applications. 4H-SiC p-i-n diodes were designed, fabricated and characterized for use in microwave applications. The diodes with mesa structure diameters between 80 and 150 flm, exhibited a blocking voltage of 1100 V, a 100 mA differential resistance of 1-2 Q, a capacitance below 0. 5 pF at a punch through voltage of about 100 V and a carrier effective lifetime between 15-27 ns. X-band microwave switches based on 4H-SiC p-i-n diodes are demonstrated for the first time. The switches exhibited insertion loss as low as 0. 7 dB, isolation up to 25 dB and were able to han die microwave power up to 2 kW at 10GHz.