Thèse soutenue

Capacité métal-oxyde-semiconducteur pour le transistor en diamant : simulation, fabrication et caractérisation électrique

FR  |  
EN
Auteur / Autrice : Aurélien Maréchal
Direction : Etienne GheeraertNicolas RougerJulien Pernot
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
Date : Soutenance le 27/11/2015
Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel (Grenoble) - Laboratoire de génie électrique (Grenoble)
Jury : Président / Présidente : Christophe Vallée
Examinateurs / Examinatrices : Etienne Gheeraert, Nicolas Rouger, Julien Pernot, Philippe Godignon, Tanya Trajkovic
Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Bergonzo, Dominique Planson

Mots clés

FR  |  
EN

Mots clés contrôlés

Mots clés libres

Résumé

FR  |  
EN

Plus de deux décennies de progrès technologiques dans le contrôle de la qualité de la croissance, du dopage et dans la conception de composants ont conduit à l'émergence de nouvelles potentialités pour des applications d'électronique de puissance. Comme le diamant représente le semi-conducteur ultime en raison de ses propriétés physiques supérieures, des efforts ont été réalisés pour développer divers dispositifs électroniques, tels que des diodes Schottky, des transistors à effet de champ (MOSFET), transistor bipolaire, jonctions pin ...Le développement d'outils de simulation capables d'anticiper les propriétés électriques des dispositifs électroniques ainsi que leur architecture pour profiter pleinement des propriétés physiques du diamant est une condition préalable à la mise au point de nouveaux composants de puissance. D'autre part, l'étude expérimentale du contact de grille, la deuxième brique élémentaire du transistor, est fondamentale en vue de développer des dispositifs de haute performance. À cet égard, on peut considérer plusieurs questions ouvertes: (i) Les outils de simulation sont-ils capables de prendre en compte les spécificités du diamant pour modéliser les composants électroniques? (ii) L'oxyde d'aluminium est-il approprié pour développer un contact de grille de transistor? (iii) Si oui, l'interface oxyde/diamant est-elle d'assez bonne qualité? (iv) La fabrication d'un MOSFET en diamant est-elle un obstacle technologique?Ce projet de doctorat, vise à répondre à ces questions et à ouvrir la voie vers la réalisation du MOSFET à canal d'inversion.Les propriétés physiques du diamant seront soulignées et aideront à comprendre pourquoi ce matériau est le semi-conducteur ultime. L'état de l'art des dispositifs en diamant sera présenté en se concentrant sur des transistors à effet de champ. L'anticipation des propriétés électriques et de l'architecture grâce à des logiciels de simulation basés sur la méthode des éléments finis constitue un sujet complémentaire. Ainsi, le besoin d'outils de simulation fiables sera présenté.D'une part, les principaux modèles mis en œuvre dans les outils de simulation seront présentés en insistant sur les propriétés électriques du diamant. Pour la simulation du MOSFET diamant, l'étude de deux briques élémentaires est nécessaire: la jonction pn et le contact de grille. Les propriétés idéales de la grille seront présentées tandis que la jonction pn servira de base pour le calibrage des paramètres physiques mises en œuvre dans le logiciel de simulation. L'influence des modèles de génération-recombinaison sur les propriétés électriques simulée de jonction pn sera discutée. Enfin, la simulation des propriétés électriques d'un MOSFET en diamant sera présentée.D'autre part, l'accent sera mis sur la fabrication et la caractérisation électrique du condensateur diamant métal-oxyde-semi-conducteur (MOSCAP). Plus précisément, le raccordement des bandes à l'interface Al2O3/diamant à terminaison oxygène (O-diamant) a été étudiée en utilisant la méthode de spectroscopie photoélectronique à rayons X. Les résultats ont permis l'établissement du diagramme de bande de l'hétérostructure Al2O3/O-diamant et démontre que l'Al2O3 est utilisable en tant qu'oxyde de grille. Ensuite, l'étude de la densité des états d'interface a révélé l'ancrage du niveau de Fermi à l'interface entre l'Al2O3 et le diamant. En outre, les courants de fuite à travers la couche d'Al2O3 seront discutés en termes d'effet tunnel assisté par pièges de trous de la couche de diamant au contact de grille. Enfin, la caractérisation électrique du premier MOSFET en diamant, effectuée au National Institute for Advanced Industrial Science and Technology (AIST) au Japon, sera présentée. Cette première tentative s'est révélée infructueuse. Néanmoins, les résultats sont très prometteurs pour le développement de diamant MOSFET étant donné que la démonstration de la réalisation du composant est clairement établie.