Laboratoire Ampère

Laboratoire Ampère
Unité Mixte de Recherche du CNRS - UMR 5005
Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie environnementale
et Applications
Ecole Centrale de Lyon - INSA de Lyon - Université Lyon 1
Conception, réalisation et caractérisation de composants
électroniques en diamant monocristallin
Laboratoire Ampère, UMR CNRS 5005
Domaine scientifique principal : Sciences de la matière et des matériaux, énergie
Domaine scientifique secondaire : Intégration de puissance
Thème et sous-thème prioritaire :
Utilisation des techniques de conception en micro-électronique (simulation par éléments finis,
réalisation de masques de photolithographie) et de réalisation de composants (gravure ionique,
implantation ionique, contact ohmique, recuit thermique, passivation). Caractérisation électrique (I-V)
(C-V) et physico-électrique (SIMS, RBS, XPS).
Directeur de thèse :
Dominique PLANSON, [e-mail]
Karine ISOIRD, [e-mail]
Argumentaire scientifique présentant les enjeux de la thèse
L’ensemble des propriétés électroniques et électrothermiques font du diamant un matériau unique
pour les composants haute tension forte puissance. Le diamant ressort comme le matériau
susceptible d’offrir le plus grand champ de rupture (5 fois celui du SiC en MV/cm) et la meilleure
conductivité thermique (4 fois celle du SiC en W/cm.K). Ce matériau semble donc destiné à la
réalisation de composants hyperfréquence et/ou de composants très forte puissance. C’est cette
dernière application qui est envisagée avec le sujet de la thèse. La communauté scientifique est
consciente des potentialités du diamant pour l’électronique de puissance, il reste cependant un effort
de recherche et développement important à entreprendre sur le matériau et les technologies de mise
en œuvre avant d’aboutir aux premiers dispositifs.
Les avantages du diamant pour l’électronique de puissance permettront d’obtenir des convertisseurs
pouvant fonctionner à très haute température (400°C), haute tension (plusieurs dizaines de kV),
permettant d’envisager des applications demandant des énergies transitoires de 100 kJ à 1 MJ.
Le matériau de base nécessaire à la fabrication de composants est arrivé à un niveau de maturité
permettant d’envisager la réalisation de composants simples. Ce sujet de thèse est une continuité des
travaux amonts sur le diamant et fédère des laboratoires français autour de ce nouveau matériau
prometteur.
Ce programme de recherche reçoit un soutien industriel français et le projet fait partie d’un groupe de
laboratoires appartenant au pôle de recherche SEEDS (Systèmes d’Energie Electrique dans leurs Dimensions
Sociétales).
Sujet de thèse :
Un des deux laboratoires d’accueil (AMPERE) a une expérience dans un contexte similaire sur les composants
en SiC. Dans ce cadre, les premières études ont permis de mettre au point les outils de conception, les briques
technologiques et d’aboutir à la réalisation de démonstrateurs performants [1], [2], [3]. Le sujet de thèse proposé
ici devrait avoir une démarche similaire avec la collaboration essentielle d’une équipe impliquée dans le
développement de la technologie spécifique du diamant (LAAS).
Le sujet exploratoire de la thèse comporte trois parties distinctes :
- une phase de conception d’un interrupteur en diamant basée sur la simulation par éléments
finis en adéquation avec les spécificités du matériau et aussi de sa technologie. L’adaptation des
paramètres du logiciel sera nécessaire dans un premier temps,
- une phase de réalisation technologique sur la plate-forme nationale du LAAS située à
Toulouse. Des briques élémentaires technologiques seront développées en salle blanche avec pour
objectif la réalisation d’un composant,

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Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie environnementale
et Applications
Ecole Centrale de Lyon - INSA de Lyon - Université Lyon 1
- une phase de caractérisation électrique du ou des composants réalisés précédemment.
Le travail de thèse commencera par une étude bibliographique sur le diamant : recherche des paramètres utiles
pour la simulation électrique, et les composants actifs. Une étape de validation des paramètres des modèles
physiques du simulateur sur des structures simples est indispensable avant la phase de conception. L’outil de
conception (suite logicielle Sentaurus) permettra d’optimiser la cellule active d’une part et la protection
périphérique du véhicule test issu de l’étude bibliographique pour répondre au cahier des charges du programme
de recherche « Diamonix ». Le composant sera également conçu pour permettre la détermination des coefficients
d’ionisation du diamant. Ces paramètres du diamant sont encore inconnus mais nécessaires pour alimenter le
fichier de paramètres du simulateur et ainsi évaluer de manière précise la tenue en tension d’un dispositif. Cette
phase se terminera par la définition du processus de fabrication et du jeu de masques des structures simulées en
tenant compte des contraintes de la centrale technologique.
La phase de réalisation des démonstrateurs s’effectuera au LAAS à Toulouse. Le candidat participera à la mise
au point des différentes étapes technologiques (préhension des échantillons, nettoyage chimique, gravure ionique,
implantation ionique, contact ohmique, recuit thermique, passivation) et la fabrication des composants définis
précédemment. Il s’appuiera sur le savoir-faire local et l’étude bibliographique spécifique. Des caractérisations
physiques et électriques (SIMS, RBS, XPS, MEB) accompagneront la progression de la fabrication.
Enfin, une phase de caractérisation électrique des composants permettra la validation de la conception et de la
réalisation. Plusieurs aspects seront vérifiés : la fonctionnalité du composant ainsi que ses caractéristiques.
D’autre part, ce travail permettra un retour sur la modélisation par l’extraction de paramètres physiques (mobilité
des porteurs, durée de vie, énergie d’activation…).
Planning prévisionnel de déroulement de la thèse :
Phase 1
1 2 3 4 9 10
Phase 2
10
Phase 3
9 10
5 6
7 8
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 Extraction des paramètres physiques Validation expérimentale et retour sur la conception
Définition du processus de fabrication
Etudes des briques technologiques (RIE, passivation …)
Caractérisation Physique, électrique et chimique durant la fabrication
Caractérisation des composants
Etude bibliographique
Adaptation des paramètres au simulateur
Conception de composants
Réalisation des masques de fabrication
Compétences requises : physique du semiconducteur, composant électronique, technologie des composants
électroniques.
[1] J.P. CHANTE et. al. “Silicon Carbide based current limiter devices“ 2004 - Materials Sci. Forum, vol. 457-460, p. 951-954.
[2] D. BERGOGNE et. al. “High temperature operating converter“ 2006 - 4th Int. Conf. on Integrated Power Electronics Systems
(CIPS’O6). p.201-204.
[3] P. BROSSELARD et. al. “Edge termination strategies for a 4 kV 4H-SiC thyristor“ 2006 - Solid State Electronics, vol. 50, p.1183-
1188.
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ECOLE DOCTORALE N°160 - Electronique, Electrotechnique, Automatique (EEA)
Laboratoire Ampère, UMR CNRS 5005
Ecole Centrale de Lyon
Directeurs de thèse : Dominique PLANSON et Karine ISOIRD
Contact : [e-mail]
[email protected]