Conception, optimisation et caractérisation d’un transistor à effet de champ haute tension en Carbure de Silicium

Design, simulation and electrical evaluation of 4H-SiC Junction Field Effect Transistor

• Auteur / Autrice : Shiqin Niu
• Direction : Dominique Planson, Pierre Brosselard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 12/12/2016
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AMPERE - Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie Environnementale et Applications (Rhône) - Ampère
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Ampère, Département Méthodes pour l'Ingénierie des Systèmes
• Jury : Président / Présidente : Philippe Godignon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Planson, Philippe Godignon, Nathalie Malbert, Nicolas Rouger, Maxime Berthou, Marie-Laure Locatelli
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nathalie Malbert, Nicolas Rouger

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électronique de puissance

Mots clés libres

Electronique de puissance

Interrupteur de puissance

Transistor à effet de champ

Transistor à effet de champ - MOSFET

Transistor à effet de champ - JFET

Transistor à effet de champ - SIT

JFET-SiC

Dessin de masque

Densité de cellule

Caractérisation électrique

Analyse de défaillance

Analyse optique des composants SIC

Court-Circuit

Capacité de court-Circuit

Simulation électrothermique

Capacité thermique du substrat

Power Electronics

Power switches

Unipolar SiC switches - MOSFET

Unipolar SiC switches - JFET

Unipolar SiC switches - SIT

SiC JFET design

Layout

Wafer test

Failure analysis

Short-Circuit

Résumé

La thèse intitulée "Conception, caractérisation et optimisation d’un transistor à effet de champ haute tension en Carbure de Silicium (SiC) et de leur diode associée", s’est déroulée au sein du laboratoire AMPERE sous la direction du Prof. D. PLANSON. Des premiers démonstrateurs de JFET ont été réalisés. Le blocage du JFET n'est pas efficace, ceci étant lié aux difficultés de réalisation technologique. Le premier travail a consisté en leur caractérisation précise puis en leur simulation, en tenant compte des erreurs de processus de fabrication. Ensuite, un nouveau masque a été dessiné en tenant en compte des problèmes technologiques identifiés. Les performances électriques de la nouvelle génération du composant ont ainsi démontré une amélioration importante au niveau de la tenue en tension. Dans le même temps, de nouveaux problèmes se sont révélés, qu’il sera nécessaire de résoudre dans le cadre de travaux futurs. Par ailleurs, les aspects de tenue en court-circuit des JFETs en SiC commercialement disponibles ont été étudiés finement. Les simulations électrothermiques par TCAD ont révélé les modes de défaillances. Ceci a permis d'établir finalement des modèles physiques valables pour les JFETs en SiC.

Silicon carbide (SiC) has higher critical electric field for breakdown and lower intrinsic carrier concentration than silicon, which are very attractive for high power and high temperature power electric applications. In this thesis, a new 3.3kV/20A SiC-4H JFET is designed and fabricated for motor drive (330kW). This breakdown voltage is beyond the state of art of the commercial unipolar SiC devices. The first characterization shows that the breakdown voltage is lower (2.5kV) than its theoretical value. Also the on-state resistance is more important than expected. By means of finite element simulation the origins of the failure are identified and then verified by optical analysis. Hence, a new layout is designed followed by a new generation of SiC-4H JFET is fabricated. Test results show the 3.3kV JFET is developed successfully. Meanwhile, the electro-thermal mechanism in the SiC JFETs under short circuit is studied by means of TCAD simulation. The commercial 1200V SIT (USCi) and LV-JFET (Infineon) are used as sample. A hotspot inside the structures is observed. And the impact the bulk thickness and the canal doping on the short circuit capability of the devices are shown. The physical models validated by this study will be used on our 3.3kV once it is packaged.