Optimisation de composants de puissance en carbure de

Optimisation de composants de puissance en carbure de silicium
pour des applications d'électronique impulsionnelle
Nicolas Dheilly, Laboratoire Ampère, INSA de Lyon
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Cette thèse s'inscrit dans la continuité d'une collaboration entre l'ISL (Institut Saint-Louis) et le
laboratoire Ampère sur la thématique de l'électronique impulsionnelle. Les applications de l'ISL
nécessitent une électronique supportant une dizaine de kV et des impulsions de courants de plusieurs
kA. En vue de réduire l'encombrement de cette électronique et d'en simplifier la commande,
l'utilisation de semi-conducteurs grand gap tel que le carbure de silicium (SiC) devrait être une
alternative intéressante aux composants en silicium. De part sa tenue en tension élevée et ses capacités
en courant, le thyristor semble être le composant le plus adapté pour les applications de l'ISL. Les
travaux de thèse se sont concentrés sur la conception de thyristors en SiC, et plus particulièrement sa
protection périphérique, ainsi que la réalisation et la caractérisation de thyristors optiques SiC.
Conception de la terminaison du thyristor
Pour obtenir des tenues en tension élevées, les dopages et épaisseurs des épitaxies mais
également la terminaison ou protection périphérique sont des éléments déterminants. La conception de
cette dernière est facilitée par l'utilisation de logiciels de simulation à éléments finis. Le but de
l'optimisation est d'avoir une protection périphérique efficace mais aussi le moins sensible possible
aux incertitudes dues à la réalisation technologique des composants. La protection la plus utilisée pour
la haute tension en SiC est appelée JTE (Junction Termination Extension) réalisée par implantation
suivi d'un recuit à très haute température. Ce procédé a l'inconvénient d'endommager le matériau et
d'avoir des incertitudes élevées sur les dopants électriquement actifs dans la zone implantée. Le
matériau utilisé pour faire le thyristor nous permet de réaliser une JTE par gravure. La tenue en tension
d'une telle structure est alors très liée à l'incertitude sur la gravure. L'utilisation d'une JTE graduelle,
obtenue par des gravures successives, ou d'une JTE associée à des anneaux de garde gravés permettent
de réduire la sensibilité à l'erreur sur le procédé de gravure du matériau et d'envisager une efficacité de
protection supérieure à 90 %.
Réalisation et caractérisation de thyristors optiques SiC
Pour les systèmes haute tension, la commande optique apporte une isolation électrique
naturelle de la commande et donc une réduction des interférences électromagnétiques conduites. La
réalisation technologique d'une première série de thyristors optiques a été effectuée à l'ISL en utilisant
les processus déjà optimisés par l'ISL. Un processus technologique "simple" a été choisi pour valider
la faisabilité de la commande optique du thyristor. Deux échantillons de 1 × 1 cm2 ont servi à
l'élaboration d'une cinquantaine de thyristors avec des surfaces actives allant jusqu'à 1.5 mm 2. La
commutation des thyristors a été possible avec un laser dans un premier temps puis avec l'association
de quatre DEL (Diodes Electro Luminescentes) UV pour obtenir une puissance suffisante. L'utilisation
de DEL est intéressante car elle permet d'avoir une commande du thyristor plus compacte et avec un
meilleur rendement que le laser. Le temps de montée du courant dans le thyristor est rapide (inférieure
à 100 ns) mais le temps de délai est lui supérieur à 2 μs et dépend de la tension de polarisation et de
l'intensité lumineuse.
Perspectives
De nouveaux composants alliant une protection périphérique efficace et une commande
optique sont en cours de réalisation (deuxième lot). Ils permettront de valider le dimensionnement de
la terminaison. Ces composants seront ensuite encapsulés de manière à évaluer le gain de la
commande optique sur la mise en série ou en parallèle des thyristors. Enfin, la caractérisation de ces
composants sous de fortes impulsions de courant devrait permettre de valider le potentiel du SiC pour
des applications d'électronique impulsionnelle haute puissance.