Développement de FET basés sur des matériaux à bande interdite ultra-large pour l'électronique de puissance haute tension

Development of FETs based on ultra-wide band gap materials for high voltage power electronics

• Auteur / Autrice : Jash Rinku Mehta
• Direction : Farid Medjdoub
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
• Date : Soutenance le 25/06/2024
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
• Jury : Président / Présidente : Tuami Lasri
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Paule Besland, Gaudenzio Meneghesso
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Frédéric Morancho, Jérôme Billoue

Mots clés

Mots clés contrôlés

Silicium -- Substrats

Hétérostructures

Nitrure d'aluminium

Nitrure de gallium

Haute tension

Transistors à effet de champ

Semiconducteurs à large bande interdite

Mots clés libres

AlGaN

Uwbg

Haute Tension

Hfet

Hemt

Transistor à électron à haute mobilité

AlN

Uwbg

Hemt

AlGaN

Hfet

Résumé

Les semi-conducteurs à large bande interdite (WBG) tels que le SiC et le GaN présentent des propriétés physiques supérieures à celles du silicium. Cependant, les matériaux ou diélectriques à bande interdite encore plus large, tels que le nitrure d'aluminium et de gallium (AlGaN) ou le nitrure d'aluminium (AlN), permettent de créer des hétérojonctions tout en élargissant considérablement les possibilités de conception des dispositifs pour les systèmes de conversion d'énergie à moyenne/haute puissance. Cette thèse se concentrera sur la démonstration de semi-conducteurs à bande passante ultra-large (UWBG) pour le développement de transistors à effet de champ (FET) à haute tension. Dans ce contexte, une approche basée sur la réduction de l'épaisseur du canal GaN a été développée sur des substrats d'AlN. L'évolution de la densité de courant à l'état passant et de la tension de claquage a été réalisée avec différentes épaisseurs de canaux GaN. Un champ de claquage latéral élevé de l'AlN allant jusqu'à 10MV/cm a été démontré expérimentalement. D'autre part, l'intégration de substrats d'AlN dans les fonderies de silicium actuelles est un défi. On peut donc dire que ''ce qui peut être fait sur le silicium sera fait sur le silicium''. Pour relever ce défi, nous avons adopté une approche visant à démontrer de nouveaux HFET à base de canaux AlGaN sur substrat de silicium pour des applications à haute tension. L'impact de la composition en Al des couches de barrière et du canal sur les performances électriques et thermiques de divers HFET AlGaN/AlGaN a été étudié. Par la suite, nous avons démontré la robustesse des HFET à canal AlGaN sur AlN massif, appropriés à l'électronique de puissance en conditions extrêmes et une tension d'opération supérieure à 2 kV. Le principal défi pour les HFET à base d'AlGaN est de minimiser les résistances de contacts de source et de drain. Nous avons pu démontré une densité de courant élevée (> 0,2 A/mm) ainsi que des transistors à canal AlGaN riche en Al sur substrat de silicium avec un champ électrique de claquage moyen supérieur à 4 MV/cm. . Ces résultats mettent en évidence une approche prometteuse qui pourrait potentiellement conduire à des solutions pour une électronique de puissance plus durable et plus efficace avec des dimensions de dispositifs réduites ainsi que des capacités de fonctionnement à haute tension/haute température accrus.

Wide Bandgap Semiconductors (WBG) such as SiC and GaN show superior material properties to Silicon. However, the even wider bandgap material or dielectric such as Aluminum Gallium Nitride (AlGaN) or Aluminium Nitride (AlN) material system gives the flexibility of creating heterojunctions while dramatically broadening the device design space for medium/high power conversion systems. This thesis will focus on the demonstration of Ultrawide Bandgap (UWBG) semiconductors for developing high-voltage FETs. In this context, an approach based on downsizing GaN channel thickness grown on bulk AlN substrates has been developed. The evolution of on-state current density and breakdown voltage has been realized with different GaN channel thicknesses. A high AlN lateral breakdown field of up to 10MV/cm has been experimentally demonstrated. On the other hand, the integration of bulk AlN substrates to current silicon foundries is challenging. Thus, it can be said that “ What can be done on silicon, will be done on Silicon.” Addressing this challenge, we took an approach toward the demonstration of novel AlGaN channel-based HFETs on Silicon for high-voltage applications. The impact of Al composition in the barrier and channel layers on the electrical and thermal performance of various AlGaN/AlGaN HFETs has been studied. Later, we demonstrate robust AlGaN channel HFETs on bulk AlN suitable for extreme power electronics with more than 2kV breakdown voltage. The major challenge for AlGaN-based HFETs is to develop ohmic contact to the channel addressing which we demonstrated high current density (>0.2 A/mm) Al-rich AlGaN channel HFETs on silicon with more than 4 MV/cm average transistor breakdown electric field. This ongoing development in AlGaN HFETs highlights a promising direction that potentially leads to more sustainable and efficient power electronic solutions with smaller device dimensions along with better high voltage/high-temperature operation capabilities.