Thèse soutenue

Composants unipolaires à base de diamant : vers l'extraction des coefficients d'ionisation par impact

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Auteur / Autrice : Khaled Driche
Direction : Etienne Gheeraert
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Nano electronique et nano technologies
Date : Soutenance le 20/12/2018
Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE) en cotutelle avec Université de Tsukuba
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel (Grenoble, Isère, France) - National institute of advanced industrial science and technology (Japon)
Jury : Président / Présidente : Denis Dauvergne
Examinateurs / Examinatrices : Toshiharu Makino, Noriyuki Iwamuro, Hajime Okumura, Hitoshi Umezawa
Rapporteurs / Rapporteuses : Satoshi Yamasaki, Farid Medjdoub

Résumé

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97% des articles publiés sur les études climatiques racontent que le réchauffement climatique est entièrement causé par les activités humaines. Les gaz émis lors de la production d'énergie électrique ainsi que d'autres gaz rejetés par les voitures ont un réel impact sur l'atmosphère. Une solution consiste à mettre au point des composants présentant des pertes de conduction plus faibles et des caractéristiques de claquage plus élevées qui pourraient être utilisés dans des centrales nucléaires, des cellules de commutation à haute puissance, des voitures hybrides (électriques), etc.De nos jours, les composants à base de silicium contrôlent environ 95% des dispositifs électroniques. Le carbure de silicium SiC et le nitrure de gallium GaN sont actuellement à l’étape de R&D, et commencent à être intégrés dans certains circuits électroniques. D'autres matériaux tels que Ga2O3, AlN ou le diamant sont encore à l’étape de recherche. Les derniers sont connus sous le nom de matériaux à bande ultra large et semblent être la solution requise pour les faibles pertes de puissance. Le diamant est reconnu comme le matériau ultime pour la prochaine génération de composants de puissance en raison de ses propriétés physiques exceptionnelles telles qu'un champ de claquage élevé (>10 MV/cm) permettant d'utiliser le dispositif pour une commande de puissance élevée, une mobilité de porteurs élevée (2 000 cm^2/V.s pour les trous), une vitesse de saturation élevée, une conductivité thermique élevée (22 W/cm.K) pour une parfaite dissipation de chaleur et une faible constante diélectrique. Théoriquement, le diamant est le semi-conducteur offrant le meilleur compromis entre résistance à l'état passant et tension de claquage. En particulier, en raison de l'ionisation incomplète des dopants, il est encore plus efficace à haute température. Diverses diodes Schottky en diamant (SBD) avec de bonnes performances à l’état passant et bloqué (7,7 MV/cm) ont été rapportées. En plus des SBDs, des transistors à effet de champ (FET) ont également été étudiés à travers des oxyde-métal semi-conducteur FETs (MOSFETs) utilisant une surface hydrogénée avec des densités de courant élevées à l'état passant ou des surface oxygéné avec de bonnes caractéristiques de blocage. Pour les composants de haute-tension, il est nécessaire de changer l’architecture de l’électrode afin d’éviter un claquage prématuré due à l’encombrement du champ électrique aux bords. Dans ce but, les techniques de terminaison de bord sont utilisées pour atteindre les caractéristiques idéales. La tâche évidente avant toute fabrication de composant est la partie simulation qui prédit l’optimisation de l’architecture et les caractéristiques attendues. Une bonne prédiction nécessite la connaissance des paramètres du matériau. Les paramètres importants pour le claquage sont les coefficients d'ionisation par impact. Plusieurs coefficients ont été publiés pour le diamant. Toutefois, ils ont été extraits en « fittant » des structures non optimisées, d'où un manque de précision.Dans cette étude, deux structures de terminaisons de bord pour des diodes Schottky, appelées plaque de champ et anneaux à champ flottant, ont été étudiées. Leur efficacité de distribution du champ de surface par analyse de courant induit par faisceau d'électrons (EBIC) a été observée. De plus, des FETs ont été fabriqués et caractérisés, un MESFET et un RB-MESFET. Les FETs présentent un claquage élevé, jusqu’à 3 kV et une faible résistance. Le développement des transistors est indissociable de la diode Schottky, car ils sont tous deux nécessaires à la fabrication de cellules de commutation. Et enfin, les coefficients d'ionisation par impact pour les électrons ont été mesurés à l'aide d’EBIC pour un champ >0,5 MV/cm dans une région sans défaut. Les valeurs mesurées sont (sous l’equation de Chynoweth) an = 971 /cm et bn=2,39x10^6 V/cm. Ces valeurs sont proches des coefficients mesurés expérimentalement et rapportés dans la littérature.