Laboratoire Ampère Unité Mixte de Recherche du CNRS - UMR 5005 Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie environnementale et Applications 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, [email protected] Karine ISOIRD, [email protected] 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, Ecole Centrale de Lyon - INSA de Lyon - Université Lyon 1 Laboratoire Ampère Unité Mixte de Recherche du CNRS - UMR 5005 Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie environnementale et Applications - 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 Phase 2 Phase 3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 9 6 7 Etude bibliographique Adaptation des paramètres au simulateur Conception de composants Réalisation des masques de fabrication Définition du processus de fabrication Etudes des briques technologiques (RIE, passivation …) Caractérisation Physique, électrique et chimique durant la fabrication Caractérisation des composants Extraction des paramètres physiques Validation expérimentale et retour sur la conception 8 9 10 10 10 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.11831188. __________ 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 : [email protected] [email protected] Ecole Centrale de Lyon - INSA de Lyon - Université Lyon 1