Conception et optimisation de thyristors optiques en carbure de silicium pour des applications d'électronique impulsionnelle

Design and optimization of light triggered thyristor in silicon carbide for pulse power applications

• Auteur / Autrice : Nicolas Dheilly
• Direction : Dominique Planson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dispositifs de l’électronique intégrée
• Date : Soutenance le 14/01/2011
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AMPERE - Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie Environnementale et Applications (Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Rik W. De Doncker
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Planson, Rik W. De Doncker, Philippe Godignon, Daniel Alquier, Dominique Tournier, Sigo Scharnholz, Michel Amiet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Philippe Godignon, Daniel Alquier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électronique de puissance

Mots clés libres

Electronique

Electronique de puissance

Electrotechnique

Thyristor

Thyristor optique

Electronique impulsionnelle

Carbure de silicium

Composant de puissance

Electronics

Power Electronics

Electrotechnics

Optical Thyristor

Thyristor

Pulse Electronics

Silicon Carbide

Power Component

Résumé

L'Institut franco-allemand de recherche de Saint-Louis (ISL) développe des alimentations de forte puissance pour des applications d'électronique impulsionnelle. En vue de réduire les pertes, l'encombrement et le poids de ces systèmes, des thyristors en carbure de silicium pourraient à l'avenir remplacer les interrupteurs en silicium actuels. C'est dans le cadre de la collaboration entre le laboratoire Ampère et l'ISL que s'inscrit cette thèse sur ce thème de recherche. Les propriétés physiques du carbure de silicium et les composants réalisés par différents laboratoires universitaires et industriels ont démontré les aptitudes de ce matériau pour les fortes puissances. Le travail réalisé au cours de cette thèse a permis de concevoir de réaliser et de caractériser des thyristors optiques en carbure de silicium. Dans un premier temps, le travail de conception, basé sur des simulations éléments finis, a permis d'optimiser deux protections périphériques, la JTE multiple gravée et la JTE assistée par anneaux gravée, toutes deux robustes vis à vis des incertitudes technologiques sur la gravure, et ayant la particularité de ne pas recourir à l'implantation ionique. Deux séries de thyristors optiques ont ainsi été fabriquées. Le premier lot avait pour but de valider la faisabilité du déclenchement optique de thyristor avec des diodes électroluminescentes UV. Le deuxième lot a permis de mettre en œuvre la JTE assistée par anneaux. Une tenue en tension maximale de 6,3 kV a été mesurée sur ces thyristors. Ces composants sont aussi destinés à évaluer les possibilités en termes d'impulsion de courant des thyristors SiC. A ce titre, deux premières caractérisations ont été effectuées et les dispositifs ont été capables de passer un courant crête de 156 A (soit une densité de courant de 15,6 kA.cm-2) sur une impulsion de 10 μs de large et 40 A (4 kA.cm-2) sur une impulsion de 650 microsecondes de large. Ces résultats montrent une progression significative par rapport aux précédents travaux réalisés sur le thyristor SiC au laboratoire. Ils valident également la bonne stabilité de la technologie de fabrication de l'ISL (gravure, contact ohmique). Cependant, le rendement de fabrication devra être amélioré par le travail mené actuellement par l'ISL, sur la passivation des composants.

In order to reduce the losses, the weight and the volume of the power supply of its pulse power systems, the French German research institute of Saint-Louis (ISL) intends to replace the currently used silicon switches by silicon carbide thyristors. This work, in the frame of the collaboration between Ampere laboratory and ISL, deals with the design the fabrication and the characterization of light triggered thyristors in silicon carbide. In the first place, two device terminations, the graded etched JTE and the guard ring assisted etched JTE, have been optimized using finite element simulation. These two structures are tolerant to technological uncertainties and don’t need ion implantation. Two series of light triggered thyristors were also fabricated. Concerning the first run, the light triggering of SiC thyristor with UV light-emitting diodes was demonstrated. The guard ring assisted etched JTE was tested on the second run. The best blocking voltage measured on devices with this termination was 6.3 kV. These devices also aim at assessing the pulse current capabilities of silicon carbide thyristors. To this end, two characterizations were performed and a peak current of 156 A (15.6 kA/cm2) was reached with a pulse width of 10 IJS and 40 A (4 kA/cm2) with a pulse width of 650 IJS. These results show a significant progress compared to previous achievements of the laboratory on silicon carbide thyristor. They also validate the good stability of the fabrication technology of the ISL cleanroom (Etching process, ohm le contact). However, the fabrication yield needs to be improved by the optimization of the device passivation, which is currently under progress at ISL.