Thèse soutenue

Maîtrise de l’interface O-diamant/Al2O3 pour le transistor unipolaire à effet de champ en diamant dopé au bore

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Auteur / Autrice : Thanh-Toan Pham
Direction : Julien PernotNicolas Rouger
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Nano électronique et nano technologies
Date : Soutenance le 12/04/2017
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 : Laboratoire de génie électrique (Grenoble) - Institut Néel (Grenoble, Isère, France)
Jury : Président / Présidente : Daniel Araújo
Examinateurs / Examinatrices : Yvon Cordier, Florin Udrea, Hitoshi Umezawa
Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Bergonzo, Philippe Godignon

Mots clés

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Résumé

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De nos jours, l'effet du réchauffement planétaire devient une question primordiale pour l'humanité. La plupart des sources d'énergie traditionnelles comme l’énergie thermique, le nucléaire, l'hydroélectricité, etc. sont dangereux et/ou potentiellement dangereux pour la nature et l'être humain. Par conséquent, une «énergie verte» est fortement souhaitée. L'énergie verte a deux caractéristiques : d'une part l’utilisation de sources d'énergie renouvelables comme l'énergie solaire ou géothermique, etc au lieu des sources d'énergie traditionnelles, ainsi qu’un meilleur rendement. Un rapport récent a souligné que la perte d'énergie aux États-Unis est plus importante que la somme de toutes les énergies renouvelables générées. Il est donc essentiel d'utiliser efficacement l'électricité et de limiter les pertes. Malheureusement, les pertes sont l'endémie des composants semi-conducteurs, le dispositif central de tout système de conversion de puissance. Le silicium (Si), le matériau le plus utilisé dans les composants semi-conducteurs a atteint sa limite physique. Des semi-conducteurs à large bande interdite tels que SiC, GaN, Ga2O3 et le diamant sont des matériaux prometteurs pour fabriquer des dispositifs à faibles pertes en état ON et avec une tension de claquage à l’état OFF élevée. Parmi eux, le diamant est un semi-conducteur idéal pour les appareils de haute puissance en raison de ses propriétés physiques supérieures aux autres matériaux. Les progrès récents sur ce sujet permettent de considérer le développement de dispositifs de puissance en diamant, par exemple les MOSFETs. Afin de réaliser un MOSFET en diamant semi-conducteur, le nombre de problèmes à surmonter est important, particulièrement maîtriser l'interface diamant/oxyde. Dans ce contexte, G. Chicot et A. Marechal (anciens doctorants de notre groupe) ont introduit les dispositifs de test MOSCAP O-diamant/Al2O3 et montré que l'alignement des bandes est de type I à l'interface O-diamant/Al2O3, ce qui est favorable pour réaliser à la fois un MOSFET à inversion et un MOSFET à déplétion. Ce doctorat s’inscrit dans la suite de ces deux thèses. Il a eu deux objectifs principaux: 1. Les recherches fondamentales, qui se consacrent à la compréhension de la caractéristique électrique d'un dispositif de test de diamant MOSCAP; 2. Partant de la compréhension du MOSCAP, un MOSFET en diamant est réalisé par le contrôle de la conduction de courant volumique. La thèse comprend ainsi trois chapitres : Le chapitre 1 traite du contexte des dispositifs de puissance ainsi que des propriétés physiques du diamant et de l'état de l'art des dispositifs en diamant. Nous introduisons également le principe de fonctionnement d'un dispositif de test MOSCAP idéal et de l'état de l'art des O-diamant MOSCAP. Le chapitre 2 est consacré à la compréhension fondamentale des O-diamant MOS capacités et comprennent trois parties principales: la partie 1 traite des questions de méthodologie liées à la croissance du diamant, le procédé de fabrication et de caractérisation électrique. Nous allons construire un modèle électrostatique empirique pour les MOSCAP O-diamant. La partie 2 discute de l'origine du courant de fuite et de la dispersion de la caractéristique capacitance-fréquence lorsque la MOSCAP est polarisée en négatif. La partie 3 traite de l'origine du courant de fuite et de la dispersion de la caractéristique capacitance-fréquence lorsque la MOSCAP est polarisée en positif. Le chapitre 3 présente notre approche pour réaliser un MOSFET en diamant dopé au Bore. Les performances du transistor et ses paramètres importants seront quantifiées. Le benchmark du dispositif et la projection vers son amélioration seront mentionnés.