Développement de nanodiélectriques pour l'électronique de puissance

Development of nanodielectrics for power electronics

• Auteur / Autrice : Julie Chaussard
• Direction : Patrice Gonon, Vincent Jousseaume
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Nano électronique et Nano technologies
• Date : Inscription en doctorat le 08/11/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Electronique et de Technologie de l'Information (LETI)

Mots clés

Mots clés libres

Diélectriques

Couches minces

Condensateurs

Dielectrics

Thin films

Capacitors

Résumé

L'électronique de puissance utilisée notamment pour le véhicule électrique requiert la fabrication de composants de plus en plus petits capables de soutenir de forts courants et des tensions de travail élevées. La miniaturisation des ces composants nécessite le développement de nouveaux matériaux diélectriques à fort champ de claquage. Une voie prometteuse consiste à combiner la constante diélectrique élevée d'oxydes inorganiques et la résistance au claquage d'un bon isolant en réalisant des multicouches ou des nanocomposites. L'objectif de ce projet est d'élaborer des films minces de ces diélectriques par des techniques de dépôt sous vide, de les caractériser et de corréler les propriétés électriques (notamment le champ de claquage) à la composition et à la structure des matériaux et des empilements. Ces travaux permettront également d'étudier la physique de ces matériaux qui reste encore mal comprise notamment quand on approche des dimensions nanométriques. Au cours de la thèse, l'étudiant aura accès à plusieurs équipements de dépôt couches minces (dépôt par couches atomiques (ALD) et dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD)) ainsi qu'à un large panel de caractérisations (ellipsométrie, spectroscopie IR, angle de contact, microscopie, analyses de composition chimique). Des capacités seront fabriquées et caractérisées électriquement afin de déterminer les principaux paramètres (permittivité, pertes diélectriques, courant de fuite et champ de claquage notamment). L'ensemble de ces caractérisations associé éventuellement à de la simulation permettront de comprendre et d'identifier la meilleure approche afin d'obtenir le meilleur compromis entre rigidité diélectrique et capacité élevées. L'objectif final de ce projet visera à intégrer le matériau le plus performant pour la réalisation de capacités intégrées pour l'électronique de puissance.

Power electronics used in particular for the electric vehicle requires the fabrication of smaller and smaller devices able of sustaining high currents and high working voltages. The miniaturization of these components requires the development of new dielectric materials with high breakdown field. A promising approach is to combine the high dielectric constant of inorganic oxides and the breakdown resistance of a good electrical insulator by realizing multilayers or nanocomposites. The objective of this internship is to elaborate thin films of these dielectrics by vacuum deposition techniques, to characterize them and to correlate the electrical properties (in particular the breakdown field) to the composition and structure of the materials and stacks. This work will also allow to study physics of these materials which is still poorly understood especially when approaching nanometric dimensions. During this internship, the student will have access to several tools for thin film deposition (Atomic Layer Deposition and Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition) as well as to a large panel of characterization techniques (ellipsometry, IR spectroscopy, contact angle, microscopy, chemical composition analyses). Capacitors will be fabricated and electrically characterized to determine the main parameters (permittivity, dielectric losses, leakage current and breakdown field). All these characterizations, possibly associated with simulation, will allow us to understand and identify the best approach to obtain the best compromise between high dielectric strength and high capacity. The final objective of this project will be to integrate the most performing material for the realization of integrated capacitors for power electronics.