Développement de briques technologiques pour la réalisation des composants de puissance en diamant monocristallin

Development of technologies for single crystal diamond power devices processing

• Auteur / Autrice : Sodjan Koné
• Direction : Henri Schneider
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 19/07/2011
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....)

Mots clés

Mots clés libres

Electronique de puissance

Nouveaux composants

Semi-conducteurs grands gaps

Diamant CVD

Power electronics

Power switching devices

Wide bandgap semiconductors

Cvd

Résumé

A mesure que les demandes dans le domaine de l'électronique de puissance tendent vers des conditions de plus en plus extrêmes (forte densité de puissance, haute fréquence, haute température,…), l'évolution des systèmes de traitement de l'énergie électrique se heurte aux limites physiques du silicium. Une nouvelle approche basée sur l'utilisation des matériaux semi-conducteurs grand gap permettra de lever ces limites. Parmi ces matériaux, le diamant possède les propriétés les plus intéressantes pour l'électronique de puissance: champ de rupture et conductivité thermique exceptionnels, grandes mobilités des porteurs électriques, possibilité de fonctionnement à haute température… Les récents progrès dans la synthèse du diamant par des méthodes de dépôt en phase vapeur (CVD) permettent d'obtenir des substrats de caractéristiques cristallographiques compatibles avec l'exploitation de ces propriétés en électronique de puissance. Cependant, l'utilisation du diamant en tant que matériau électronique reste toutefois délicate à ce jour du fait de la grande difficulté de trouver des dopants convenables (en particulier les donneurs) dans le diamant. En outre, certaines propriétés du diamant telles que sa dureté extrême et son inertie chimique, faisant de lui un matériau unique, posent aussi des difficultés dans son utilisation technologique. L'objectif de ces travaux de thèse a été dans un premier temps d'évaluer les bénéfices que pourrait apporter le diamant en électronique de puissance ainsi que l'état de l'art de sa synthèse par dépôt en phase vapeur. Ensuite, différentes étapes technologiques nécessaires à la fabrication de composants sur diamant ont été étudiées: Gravure RIE, dépôt de contacts électriques. Enfin, ces travaux ont été illustrés par la réalisation et la caractérisation de diodes Schottky, dispositifs élémentaires de l'électronique de puissance. Les résultats obtenus permettent d'établir un bilan des verrous scientifiques et technologiques qu'il reste à relever pour une exploitation industrielle de la filière diamant.

As applications in the field of power electronics tend toward more extreme conditions (high power density, high frequency, high temperature ...), evolution of electric power treatment systems comes up against physical limits of silicon, the main semiconductor material used in electronic industry for over 50 years. A new approach based on the use of wide bandgap semiconductor materials will permit to overcome those limits. Among these materials, diamond is a very attractive material for power electronics switch devices due to its exceptional properties: high electric breakdown field, high carriers mobilities, exceptional thermal conductivity, high temperature operating possibility... However, the use of diamond as an electronic material is still very problematic due to the difficulty in the synthesis of high electronic grade CVD diamond and to find suitable dopants (in particular donors) in diamond. Besides, some of the unique properties of diamond, such as its extreme hardness and chemical inertness that make it an attractive material also cause difficulties in its application. Nevertheless, recent progress in the field of chemical vapor deposition (CVD) synthesis of diamond allow the study of the technological steps (RIE etching, ohmic and Schottky contacts, passivation,...) necessary for future diamond power devices processing. This is the aim of this thesis. In a first section, the uniqueness of diamond, the promise it bears as a potential material for specific electronic devices and the difficulties related to its application were reviewed. Then, the different technological steps required for power switching devices processing were studied: RIE etching, Ohmic and Schottky contacts. Finally, these works were illustrated by carrying out and electrical characterizations of Schottky Barrier Diodes. The achieved results allow us to make a summary of scientific and technological locks that remain for an industrial exploitation of diamond in power electronic switch devices field.