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Ces échantillons ont été vieillis ou sont en cours de vieillissement afin que la durée de vie sous contrainte nous
permette d’effectuer un dimensionnement adéquat.
En conclusion, la structure proposée va être réalisée, reste cependant tous les problèmes d’équilibrage et de
commande qui seront traités par nos collègues du LEG.
2. Prospective long terme : composants commandables forte tension en SiC ou diamant
Une solution alternative à la mise en série de composants de puissance silicium pour la réalisation de
convertisseurs haute tension (supérieure à 6 kV), pourrait être l'utilisation de semi-conducteurs tels que le
carbure de silicium (SiC) ou le diamant (C) pour l'obtention de puces unitaires supportant des tensions à l'état
bloqué supérieures à plusieurs dizaines de kV. Parmi les différents semi-conducteurs à grand gap potentiellement
intéressants compte tenu de leur champ de rupture et de leur conductivité thermique élevés. La filière SiC, très
étudiée du fait de la maturité de sa technologie (disponibilité commerciale de plaquettes 2" avec épitaxie épaisse
et peu dopée, utilisation des équipements classiques du Si hormis le recuit post-implantation), a déjà permis la
réalisation de nombreux démonstrateurs (notamment haute tension jusqu'à 20 kV) et la mise sur le marché de
diodes Schottky 600V. Les recherches actuelles au niveau international portent sur la réduction des densités de
défauts présents dans le matériau, et l'optimisation de la technologie et de la conception d'architectures
spécifiques pour augmenter les tenues en courant, tension et température de dispositifs packagés.
Le diamant fait aussi l'objet de recherche afin d'exploiter ses propriétés physiques exceptionnelles, soit au niveau
de composants actifs, soit au niveau de l'environnement et du packaging des composants silicium ou SiC. La
société De Beers a annoncé en juillet 2002 la réalisation de diamant monocristallin synthétique aux qualités
électroniques exceptionnelles (µn=4000 cm²/V.s, µp=3800 cm²/V.s, Ec=4 MV/cm). De telles caractéristiques
ouvrent la voie à la réalisation de composants haute tension très forte densité de puissance. D'intenses recherches
sont menées dans ce sens aux Etats Unis, au Japon et en Europe. La croissance de diamant polycristallin est
aujourd'hui maîtrisée. Des couches de plusieurs cm² peuvent être déposées de façon reproductible et exploitable
industriellement sur de nombreux supports et présentent une conductivité thermique inégalée (=20 W/cm.°K).
Les efforts actuels portent sur les procédés de mise en œuvre compatibles avec la fabrication de puces pour les
fonctions de drain thermique et isolation.
Les paragraphes suivants présentent brièvement les derniers résultats des travaux menés par le CEGELY, le
LEEI, le LGET et le LAAS sur ces thèmes.
2.1 Conception d'interrupteurs forte tension en SiC (10 kV)
Les travaux portent sur la définition des paramètres physiques de la cellule active du composant (optimisation du
compromis entre tenue en tension, pertes en conduction et en commutation) sans oublier sa périphérie (efficacité
de protection à l'état bloqué), avec prise en compte de l'environnement diélectrique du semi-conducteur. Une
tenue en tension de 6 kV est visée comme première étape de l'étude, en utilisant des épitaxies d'épaisseur entre
30 et 60 µm. Le CEGELY a fabriqué des diodes bipolaires planar en utilisant les moyens du CIME, et en
collaboration avec l'IMM (Bologne) pour la réalisation des contacts ohmiques. La caractérisation électrique de
ces composants montre des résultats encourageants : 4,8 kV de tenue en tension (fig. 1), et une densité de
courant de 100 A/cm2 sous 5 V [Ray03].
Concernant l’aspect interrupteur commandable, le CEGELY a caractérisé des thyristors gravés fabriqués par
l’Institut Saint-Louis ISL en collaboration avec l’Université d’Aix la Chapelle. Ces thyristors sont conçus par le
CEGELY pour travailler en régime direct (conduction et blocage). Les caractérisations électriques montrent une
tenue en tension allant jusqu’à 4 kV (fig. 2 et 3). La mise en conduction est réalisée avec des faibles courants de
gâchette (quelques dizaines de mA) pour obtenir une densité de courant de 350 A.cm-2 sous 13 V [Bro03]. Dans
un souci de simplification du procédé technologique et d’optimisation de la mise en conduction du thyristor, une
structure de thyristor planar a été conçue par le CEGELY. Elle est actuellement en cours de réalisation en
collaboration avec l’ISL et la société IBS. De même, un transistor unipolaire de type JFET sera réalisé au LETI,
puis caractérisé électriquement au CEGELYet à l’ISL.
Les potentiels électriques à l'extérieur, mais aussi à l'intérieur du semi-conducteur, au niveau de la terminaison
de jonction, dépendent des propriétés de la couche isolante en surface du semi-conducteur (dite couche de
passivation) (voir résultats expérimentaux fig. 8 et fig. 11), d'où la nécessité de leur prise en compte lors de la
définition de la protection périphérique. Les simulations de tenue en tension d'une diode protégée par extension
latérale de jonction (JTE) montrent qu'un matériau isolant à forte permittivité diélectrique permettrait une