JL Sanchez, Frédéric Morancho Patrick Austin, Marie Breil

État de l’art et évolution des dispositifs semiconducteurs de
puissance pour une meilleure gestion de l’énergie électrique
J-L Sanchez, Frédéric Morancho
LAAS-CNRS
Patrick Austin, Marie Breil,Abdelhakim Bourennane, Magali Brunet,
Karine Isoird,Henri Schneider
`Plan
•Introduction
•Composants de puissance unipolaires: MOSFETs
–Dispositifs conventionnels « limite du silicium »
–Nouveaux concepts : Superjonction et ilôts flottants
–Limites des performances de ces nouveaux composants
•Compoants MOS/bipolaires: IGBTs
–Nouvelles architectures
–IGBT « faibles pertes »
–Intégration IGBT-diode
–IGBT Bidirectionnels
–Limites des performances des IGBT
•Composants de puissance grand gap
–Propriétés des semiconducteurs grand gap
–Comparaison des limites des performances
–SiC, GaN, Diamant: tendances pour le futur
•Conclusion
2
Plan
• Introduction
• Composants de puissance unipolaires: MOSFETs
– Dispositifs conventionnels « limite du silicium »
– Nouveaux concepts : Superjonction et ilôts flottants
– Limites des performances de ces nouveaux composants
• Compoants MOS/bipolaires: IGBTs
–
–
–
–
Nouvelles architectures
IGBT « faibles pertes »
Intégration IGBT-diode
IGBT Bidirectionnels
– Limites des performances des IGBT
• Composants de puissance grand gap
– Propriétés des semiconducteurs grand gap
– Comparaison des limites des performances
– SiC, GaN, Diamant: tendances pour le futur
• Conclusion
3
Contexte
• Forte croissance de la demande d’énergie électrique.
• Aujourdhui l’énergie électrique représente 25% de la demande d’énergie finale et sa
croissance sera de 60% jusqu’à 2040.
70
60
50
40
30
20
10
0
Power electrical consumption (Trillion kWh)
Population (Billion)
1980 2000 2020 2040
•L’énergie électrique sera présente dans de nombreuses applications.
• Le marché des Semiconducteurs de puissance est estimé à 50 billions de dollars en 2010.
4
Domaines applicatifs
Electronique portable…automobile ..…transport ferroviaire
I (A)
2500
HPM
Applications industrielles
Traction ferroviare
system integration
100
IPMet ASIPM
applications industrielles
50
Micro
convertisseur
Integration fonctionelle
Equipement portables)
10
Smart Power
Applications domestiques
et automobile)
(automobile
2
100
600
1200
3500
V (V)
5
Besoins composants pour le véhicule
électrique
Composants Basse tension (<100V)
Forts courants
Haute tension (600V- 1200V)
Forts courants
6
Exemple du véhicule électrique
Motor
V
Travaux
V
I
7
Véhicule électrique
Les éléments passifs
L, C, Transformateur
Structure d’une cellule IGBT
Semiconducteurs et refroidisseur
8
Exemple de l’habitat
Centralised
Control
RF MEMs
Galvanic
insulation
RF MEMS
Sensors
(T, motion,
occupancy…)
Gate driver power supply
Cathode
Vcc
D2
R2
Th3
Q1
R1
R3
Gate 2control
signal
Proposed
bidirectionaldevice
equivalent circuit
To Cathode
Control
Protections
M1
Vcc
Energy micro-source
Th2
Gate 2
D1
Smart
Power
To gate 2
Th1
D4
R5
D3
To gate 1
Th4
Gate 1
Q2
R4
R6
Anode
To Anode
Gate 1control
signal
M2
9
Les fonctions interrupteurs pour
la conversion d’énergie
V
V
I
I
t
t
I Am
Bl
V
t
I
Am
V
V
V
I Am
Bl
I
I
I
V
Bl
I
V
I Am
Bl
I
Am
Bl
Am
I
Am
V
Bl
t
I Am
Bl
Bl
V
V
I
Am
V
V
Bl
V
Les dispositifs semiconducteursde puissance jouent le rôle
d’interrupteur dans les convertisseurs d’énergie électrique.
10
L’interrupteur de puissance
Passant
Ouvert
Tension de claquage(BVdss)
Résistance à ‘état passant (RON.S)
• Amélioration des performances:
BVdss: tension de claquage
RON.S (or VON): résistance à l’état passant (pertes en conduction)
Fréquence de fontionnement: pertes en commutation
Température de fonctionnement
 Tenue en court-circuit
Tenue en énergie
CEM
• Amélioration des fonctionnalités:
Bidirectionnalité en courant et/ou en tension
Isolation galvanique
11
L’interrupteur de puissance
- 1 - Etat bloqué
P+
E
N-
P+
P+
Nx
V>0
Non limitation de charge d ’espace
E
N-
N+
P+
x
Tenue en
tension
Région large et peu dopée
12
Limitation de charge d ’espace
L’interrupteur de puissance
- 2 - Etat passant
Concentration
de porteurs
P+ ou N+
Thyristor
IGBT
VDMOS
N-
 Composants unipolaires
TMOS: pas d’injection de porteurs minoritaires
P+ ou N+
x
Chute de tension directe fixée par les porteurs majoritaires
 Composants bipolaires
IGBT: 1 jonction injecte des porteurs minoritaires
Modulation de la conductivité
Réduction de la chute de tension
Thyristor: 2 jonctions injectent des porteurs minoritaires
Très faible chute de tension
+ concentration
de porteurs minoritaires
+ Chute de tension
13
L’interrupteur de puissance
- 3 - Commutation
Concentration
de porteurs
Concentration
de porteurs
x
Composants unipolaires
x
Thyristor
IGBT
TMOS: uniquement porteurs majoritaires
Temps de commutation à l’ouverture faible
 Composants bipolaires
IGBT, thyristors: injection de porteurs minoritaires
Temps de commutation à l’ouverture plus élevé
+ concentration
de porteurs minoritaires
+ temps de commutation
à l ’ouverture
14
Composants unipolaires et bipolaires
Composants unipolaires
(MOSFET, Schottky diode,…)
Composants bipolaires
(PN diode, bipolar transistor, IGBT,…)
Gate
Cathode Gate
Source
-
P+ N+- - P
-
- -N+ P+
-
- N epitaxial
- layer
N+- substrate
Drain
P
VDMOSFET
- Augmentation de la résistance à l’état passant avec la
tenue en tension
-
Modulation de
la conductivité
- + +
- - N P
P +
+
+
+
- N epitaxial layer
+
+
P+- substrate
+
+
Anode
P+ N+- - + P
+
+
+
+
+
+
+
IGBT
- La résistance à l’état passant ne dépend pas( ou peu)
de la tenue en tension (modulation de conductivité)
- Augmentation des pertes en conduction avec la
- Faibles pertes en conduction
tenue en tension
- Pertes en commutation élevées
- Faibles pertes en commutation
- Fréquence de commutation faible
- Fréquence de commutation élevée
15
Gammes d’utilisation des composants de
puissance
Domaines d’utilisation en 1997
Domaines d’utilisation en, 2005
Les composants à grille MOS sont utilisés dans de nombreux champs
applicatifs
- LDMOSFETs dans les circuits intégrés de puissance
- Vertical MOSFETs, pour les applications faibles et moyennes puissance
- IGBTs pour les applications forte puissance
De Silicon Limit Electrical Characteristics of Power Devices and Ics, A. Nakagawa, Y. Kawaguchi, K. Nakamura, ISPS’08, Invited paper
16
Plan
•Introduction
•Composants de puissance unipolaires: MOSFETs
–Dispositifs conventionnels « limite du silicium »
–Nouveaux concepts : Superjonction et ilôts flottants
–Limites des performances de ces nouveaux composants
•Compoants MOS/bipolaires: IGBTs
–Nouvelles architectures
–IGBT « faibles pertes »
–Intégration IGBT-diode
–IGBT Bidirectionnels
–Limites des performances des IGBT
•Composants de puissance grand gap
–Propriétés des semiconducteurs grand gap
–Comparaison des limites des performances
–SiC, GaN, Diamant: tendances pour le futur
•Conclusion
17
Composants de puissance unipolaires:
MOSFETs
Transistors VDMOS de puissance conventionnels
LDMOSFET
VDMOSFET
Id
P+
N+
P
Source
Rch
Id
Id
Gate
Gate
Source
N+
Ra
P+
P+
N+
P
P
Rch
Racc
Drain
N+
Rd
H
H
Rd
N- epitaxial layer (ND)
N+ substrate
Rsub
N- epitaxial layer (ND)
N buried layer
P+ substrate
Drain
• Etat OFF: La tension de claquage (BVdss) dépend de ND et H
• Etat ON: La résistance spécifique à l’état passant (Ron.S) dépends aussi de ND et H
“Ron.S / BVDSS” compromis < “limite du silicium”
Limite conventionnelle du silicium: RON.S = 8.9×10 -9x(BVdss)2.4 (Ω.cm2)
18
Nouveaux concepts
Anode
P
N-
Répartition 3D
du champ électrique
N+
Cathode
Anode
Anode
Anode
P
P
P
P
z
P
N
P
N
P
N
N-
H
N-
Dielectric
P
y
WP WN
N+
N+
N+
Cathode
Cathode
Superjunction
U-diode
Cathode
FLI-diode
19
Concept de « Superjunction »
PRINCIPE : balance des charges entre les régions P et et N:
(par exemple : NA = ND et WN = WP = W << H)
N A.WP = ND.WN)
- dépeuplement latéral: EyMAX < EC
- Après le dépeuplement latéral: Vds = Ez .H
BVdss = EC.H
Première application:
COOLMOS™ d’Infineon
Anode
Id
P
P+
z
P
N
P
N
P
N
Source
Gate
N+
Id
N+ P+
H
y
P
N
P
WP WN
W/2
W
W/2
N+
N+ substrate
Cathode
Drain
20
MOSFETs à Superjonction
Nouvelles limites pour les MOSFETs verticaux:
(
)
5
4
RON . S Ω.cm 2 =1.98 ×10−1 × W × BVdss
€
Multiple epitaxies
(Infineon, STMicroelectronics)
Deep trench etching and filling with
epitaxial layers (Fuji Electric)
Deep trench etching, implantation /
diffusion then filling with a dielectric
(NXP, LAAS)
21
MOSFET superjonction à tranchée profonde
Base cell
Edge cell
(termination)
RON.S (mΩ.cm2)
VDMOSFET
conventionnel
DT-SJMOSFET
507
51
Etapes technologique critiques:
•
Gravure ionique réactive profonde(DRIE)
•
Diffusion bore à travers l’oxyde
•
Remplisage des tranchées avec BCB (BenzoCycloButene)
•
CMP de surface
22
MOSFET superjonction à tranchée
6.25 µm
70 µm
100 µm
100 µm
Si
6.18 µm
1. DRIE
BCB
Si
2. Remplissage avec BCB (BenzoCycloButene)
Si
3. Tranchées centrale et terminaison après CMP du BCB
BCB
Si
Réalisation LAAS
23
TM
Concept des ilôts flottants
Source
Gate
P+ N+
P
Source
N+ P+
P
Gate
FLYMOS
P+ N+
P
N+ P+
P
N-
P
N- epitaxial layer
N- epitaxial layer
N+ substrate
N+ substrate
Drain
EC
0
Floating islands
P
Emax1
P
VDMOS
N+
W
Drain
VDMOS
FLYMOS
X
 Amélioration de la tenue en tension (BVdss) :
Nepi (VDMOS) = Nepi (FLYMOS)
RON (VDMOS) ≈ RON (FLYMOS)

 BVdss (VDMOS) < BVdss (FLYMOS)
Ou bien
 Réduction resistance à l’état passant (RON) :
BVdss VDMOS = BVdss FLYMOS
 R O N (VDMOS)

>
RO N
Nepi (VDMOS) < Nepi (FLYMOS)
(FLYMOS)
24
TM
MOSFETs à ilôts flottants
Nouvelle limite:
(
RON . S Ω.cm
2
) =1.78 ×10
−8
source
metallization
Première réalisation de
FLYMOSFETs
(BVdss = 80 V)
€
Réalisation Freescale-LAAS
× ( BVdss )
2.4
−1.4
× (n +1)
(n = nombre d’ilots)
gate polysilicon
2nd N- épitaxy
1rst N- épitaxy
P-buried floating island
N+ substrate
(drain)
Amélioration de RON.S de 33% par rapport à un 80 VDMOSFET conventionnel
FLYMOSFETs 200 V avec deux niveaux
d’ilôts
(première mondiale)
Réalisation Freescale-LAAS
Meilleure performance (en terme of RON.Qgd) pour BVdss = 200 V
25
Autres dispositifs « Ilots flottants »
300 V Floating Islands Schottky diode
and its termination (Toshiba)
80 V Floating Islands Trench
MOSFET - FITMOS - (Toyota)
500 V Floating Islands MOSFET and its
termination (University of Chengdu, China)
26
Limite des performances statiques des
Transistors MOS de puissance avec les
nouveaux concepts
2
Specific on-resistance R .S (mΩ.cm )
Limite conventionnelle du silicium:
n = 01 2 3
1000
W = 6 µm
W = 4 µm
100
W = 2 µm
ON
RON.S = 8.9×10 -9x(BVdss)2.4 (Ω.cm2)
Superjonctions :
10
RON.S = 1.98×10-1xW5/4x(BVdss) (Ω.cm2)
1
Ilots flottants:
RON.S = 1.78x10-8x(BVdss)2.4x(n+1)-1.4 (Ω.cm2)
Conventional silicon limit
Conventional
silicon
limitlimits
Floating Islands
device
0.1
Superjunction devices limits
FLYMOSFET
(200
V) limits
Floating
Islands
device
0.01
FLYMOSFET (80V)
W = largeur des couches P and N des Superjonctions
n = nombre d’ilots des FLYMOSFETs
DT-SJMOSFET
Superjunction devices limits
Other SJ Devices
0.001
10
100
104
1000
Breakdown voltage BV
dss
(V)
Supériorité des superjonctions pour les hautes tension (> 600 V)
• compétition “FLYMOSFET/Superjunction MOSFET” dans la gamme moyenne tension (200
à 600 V)
• supériorité des FLYMOSFET dans la gamme basse tension(< 200 V)
27
Plan
•Introduction
•Composants de puissance unipolaires: MOSFETs
–Dispositifs conventionnels « limite du silicium »
–Nouveaux concepts : Superjonction et ilôts flottants
–Limites des performances de ces nouveaux composants
•Compoants MOS/bipolaires: IGBTs
–Nouvelles architectures
–IGBT « faibles pertes »
–Intégration IGBT-diode
–IGBT Bidirectionnels
–Limites des performances des IGBT
•Composants de puissance grand gap
–Propriétés des semiconducteurs grand gap
–Comparaison des limites des performances
–SiC, GaN, Diamant: tendances pour le futur
•Conclusion
28
Contrôle de l’injection et enrichissement
Optimisation de l’efficacité d’injection de la jonction P+/N- face arrière.
Objectif: atteindre un bon compromis Eon, Eoff.
J. Vobecky_, M. Rahimo, A. Kopta, S. Linder
ABB Switzerland Ltd, Semiconductors, Fabrikstrasse 3,
CH - 5600 Lenzburg, Switzerland, ISPSD 08, Orlando
Amélioration du profil de porteur du côté émetteur:
Objectif : améliorer le Von sans pour autant augmenter le Eoff
29
Contrôle de l’injection
J. Vobecky_, M. Rahimo, A. Kopta, S. Linder
ABB Switzerland Ltd, Semiconductors, Fabrikstrasse 3,
CH - 5600 Lenzburg, Switzerland, ISPSD 08, Orlando
30
IGBT faible perte
Objectif: optimiser le compromis « pertes en conduction / pertes en commutation»
avec une association parallèle de 2 IGBTs :
-IGBT rapide: VON élevé et faibles pertes en commutation
-IGBT lent: faible VON et pertes en commutation élevées
50 A
+
-
600 V
Slow IGBT
Fast IGBT
5 Ohms
5 Ohms
IGBT
IGBT
Pulse
Pulse
60
Courant Anode (Ampères)
Vg
Anode current (A)
Vg IGBT lent
Vg IGBT rapide
t0
50
t1
Commande de grille
40
30
IGBT rapide
IGBT lent
20
10
0
-10
420
440
460
480
Temps
(us)
Time (µs)
500
520
Répartition du courant d’anode
31
IGBT faible perte
Pertes
en énergie
(Joules)
Energy
losses
(J)
1
0,8
IGBT 1
IGBT 2
Configuration 1
Configuration 2
Configuration 3
0,6
Gate
« slow »
0,4
Cathode
« slow »
0,2
0
100
1000
Cathode
« fast »
Gate
« fast »
Fréquence (Hz)
Frequency
(Hz)
IGBT 1: rapide
IGBT 2: lent
Configuration 1: s IGBT lent // IGBT lent
Configuration 2: IGBT rapide // IGBT rapide
Configuration 3: IGBT lent // IGBT rapide
IGBT lent:
IGBT rapide:
+
P Anode
Semi-transparent anode
19
-3
(CS = 3.10 cm ; Xj = 7 µm) (CS = 1017 cm-3 ; Xj = 0,3 µm)
32
Nano IGBT ?
Akio Nakagawa
Silicon limit electrical characteristics
of power devices, ISPS’08
Du micro au nano
Limites des IGBT
33
Intégration IGBT: diode
IGBT à conduction inverse (RC-IGBT)
Caractéristiques à l’état ON
RC-IGBT
RC-IGBT courant
inverse de recouvrement et contrôle de la
commande grille
from A High Current 3300V Module Employing Reverse Conducting IGBTs Setting a New Benchmark in Output Power Capability,
M. Rahimo et al, ABB Switzerland Ltd Semiconductors ISPSD’08, pp. 68-71.
34
IGBT ou IGBT + diode ?
Première étape vers l’interrupteur bidirectionnel (LAAS)
V<0
V>0
D1
D’1
T’1
T1
N+2
P+ 2
IL
P2
N+2
P2
N+2
P
+
2
P2
N+2
P2
P+ 2
V
D’2
D2
T2
Upper side
N-
T’2
a)
V>0
V<0
N+1
LN+
P+1
N+1
LP+
(b) Anode N+ diffusions in
two basic IGBT cells
IL
V
Lower side
b)
35
IGBT Bidirectionnel
ANR MOBIDIC
VG2
Gate1
Cathode
N+
Cathode
Intégration
monolithique
N+
P+
P+
P+
N-
P+
N+
N+
Gate2
P+
Anode
Technique de wafer bonding technique ou lithographie double face
36
IGBT Bidirectionnel
110
20
____
Bidirectionnelle
---- Unidirectionnelle
IC (A)
90
VG1E
70
50
0
10
30
VG2E
5
10
0,00002 0,00004 0,00006 0,00008
15
VG1 E (V)
20
15
10
5
0
-5
-10
-15
-20
-25
-10
0
4,50E-05 4,70E-05 4,90E-05 5,10E-05 5,30E-05 5,50E-05
0,0001
Temps (_s)
Courant IC et tension VG1E à l’ouverture
1,10E+002
0,009
Eoff (J)
0,0055
0,005
0,008
0,0045
0,004
Eon (J)
0,0085
0,0075
0,0035
0,003
0,007
0
0,5
1
4
td (_s)
8
11
20
Pertes en conduction et à l’ouverture en fonction
du délai de la fermeture de la grille2
IC (A)
9,00E+001
0,006
7,00E+001
20
____
VG2E = 15 V
---- VG2E = 0 V
5,00E+001
15
10
3,00E+001
VG E (V)
0,0065
1
Amélioration des pertes
5
1,00E+001
-1,00E+001
0
0,000047 0,000049 0,000051 0,000053 0,000055
Temps (_s)
Courant IC et tension VG1E à l’ouverture
37
Limite des performances statiques des
IGBTs
n = 01 2 3
2
Specific on-resistance R .S (mΩ.cm )
1000
W = 6 µm
W = 4 µm
100
ON
W = 2 µm
Haute tension (> 1 kV): L’IGBT est le meilleur
dispositif, le SJMOSFET présente les mêmes
performances statiques, mais l’IGBT est moins
cher
10
Moyenne tension ( 600 V): performances
identiques pour MOSFETs (FLYMOSFET,
SJMOSFET) et IGBT. Le choix dépendra de la
fréquence d’utilisation.
1
0.1
Conventional silicon limit
Floating Islands devices limits
0.01
Superjunction devices limits
IGBT limit
0.001
10
100
104
1000
Breakdown voltage BV
dss
Faible tension (< 400 Volts): MOSFETs
(FLYMOSFET ou SJMOSFET)sont les plu
performants
(V)
38
Plan
•Introduction
•Composants de puissance unipolaires: MOSFETs
–Dispositifs conventionnels « limite du silicium »
–Nouveaux concepts : Superjonction et ilôts flottants
–Limites des performances de ces nouveaux composants
•Compoants MOS/bipolaires: IGBTs
–Nouvelles architectures
–IGBT « faibles pertes »
–Intégration IGBT-diode
–IGBT Bidirectionnels
–Limites des performances des IGBT
•Composants de puissance grand gap
–Propriétés des semiconducteurs grand gap
–Comparaison des limites des performances
–SiC, GaN, Diamant: tendances pour le futur
•Conclusion
39
Propriétés des semiconducteurs grand gap
Propriétés
Si
SiC
GaN
Diamant (C)
Bande interdite (eV)
1,1
3,3
3,6
5,47
Champ de rupture (MV/cm)
0,3
4
4
10
1500
900
2000
4000
450
200
Conductivité thermique (W/cm.K)
1,5
5
1,5
20
Température d'utilisation (°C)
125
500
650
700
SFM 1011 (W.f)
ratio / silicium
3,5
1
45
12,8
93
26,6
10920
3540
Mobilité (cm_/V.s)
des électrons
des trous
Figure de mérite
SFM = Ec. µ .K .T max
eq
3800
40
Si, SiC, GaN: comparaison des limites des
performances statiques
n = 01 2 3
Conventional silicon limit
ON
2
Specific on-resistance R .S (mΩ.cm )
1000
Floating Islands devices limits
100
W = 6 µm
Superjunction devices limits
W = 4 µm
W = 2 µm
10
RON. S: 3 décades pour SiC et 4 décades pour
GaN!
• BVdss: plus d’une décade
1
• En comparaison avec les limites des
composants à superjunction :
SiC limit
GaN limit
0.1
Diamond limit
0.01
0.001
10
En comparaison avec les limites
conventionnelles du l’amélioration des
performances statiques est notable:
100
104
1000
Breakdown voltage BV
dss
(V)
Les composants à superjunction sont théoriquement
performants à BVdss = 10 kV mais la technologie
serait coûteuse (ou impossible) pour cette gamme
de tension.
• Possibilité de réaliser des composants
unipolaires haute tension (faible RON et haute
fréquence)
41
Diodes de puissance sur SiC
Diode Schottky 300 V, 130 A,
R. Singh et al, IEEE Transaction on Electron Devices, 2002
Bipolar diode 4.5 kV, 150 A
Brett A. Hull et al, ISPSD’06
42
Transistors de puissance sur SiC
JFET (BVdss = 11 kV, RON.S = 130 mΩ.cm2)
J.H. Zhao et al, IEEE Electron Device Letters, 2004
MOSFET (BVdss = 10 kV, RON.S = 123 m_.cm2)
S.H. Ryu et al, IEEE Electron Device Letters, 2004
Bipolar transistor 1200 V / 15 A (@VCE=2V)
H.S. Lee et al, ICSCRM’07
-
N-type IGBT 13 kV / 4 A (@VF<5 V)
M.K. Das et al, ICSCRM’07
43
Etat de l’art NMOS SiC 10 kV
CREE Research
ISPSD 2008
44
Dispositifs de puissance sur GaN
AlGaN/GaN HEMT (BVdss = 1050 V, RON.S = 6 mΩ.cm2)
[Ueda et al, ISPSD’2005]
Schottky Diode (BVdss = 1050 V, RON.S = 6 mΩ.cm2)
[Yoshida et al, ISPSD’2006]
45
MOSFETs de puissance sur GaN
Lateral MOSFET (BVdss = 940 V)
[Huang et al, ISPSD’2006]
Trench Gate MOSFET
[Otake et al. JJAP 2007]
RESURF LDMOSFET (BVdss = 1570 V , RON.S = 30 mΩ.cm2)
[Huang et al, ISPSD’2008]
46
Etat de l’art NMOS GaN 1.5 kV
1570 V
30 m_-cm2
T.P Chow ISPSD 2008
Center for Integrated Electronics, Rensselaer Polytechnic Institut
47
Perspectives GaN
Projet ANR MOreGaN (Power MOSFETs realization on Gallium Nitride)
Étude de faisabilité de transistors MOS de puissance en GaN :
- croissance épitaxiale de type N et P (CRHEA)
- dépôt d’oxyde (SiO2, Si3N4,…) de bonne qualité et interface de qualité (IMN, LAAS)
- implantations de type N (Si) et P (Mg, Be) (LAAS)
- métallisation (LAAS)
- passivation (LAPLACE)
- calibration du logiciel de simulation physique SENTAURUS (LAAS)
Objectif final : Conception de transistors LDMOS de puissance normally-off en GaN
Source
48
Les défis technologiques des
composants sur GaN
Matériau
- difficulté de mise en œuvre (pb de croissance car désaccord de maille ‘substrat / GaN’)
- Coût de wafer élevé (12 fois celui du Si)
- Technologie
- dopage P (implantation de Mg, Be) difficile
- qualité des contacts ohmiques
- état de surface et qualité de l’interface ‘oxyde / semiconducteur’
- Composants
- unipolaires essentiellement(HEMT / HFET, diodes Schottky, MOSFETs) mais interrupteurs
normally-on essentiellement.
- bipolaires (HBT)
49
Diode Schottky diamant
current density (A/cm )
1400
2
1200
1000
800
600
400
200
0
-30
-25
-20
-15
-10
-5
Bias voltage (V)
0
5
10
Diode Schottky
Contacts
Gravure
Polissage
50
Les défis technologiques des
composants sur diamant
- Matériau
- difficulté de mise en œuvre (MWCVD)
- substrats monocristallins de petite taille (12mm x 12mm)
- impuretés (1014 A/cm3) (109 A/cm3 pour le Si)
- Coût de wafer élevé (1000 fois celui du Si)
- Technologie
- dopage P (Bore) in situ, implantation (?), pas de diffusion
- pas de dopage N
- contact ohmique (10-4 Ω.cm2)
- état de surface (polissage : qqes nm)
- Composants
- unipolaires uniquement (diodes Schottky, autres ??)
51
Tendances
Si
SiC
GaN
Diamond
Material
+++
—
——
——
Substrate cost
+++
—
+ (depends on the substrate)
———
Technology
+++
+
+ + (silicon compatible)
——
Type of devices
All
All (MOS gated devices
only at very high voltage)
Essentially unipolar, lateral and
normally-on devices
Unipolar
(Schottky, JFET)
Voltage range
Low and
medium
voltage
Medium and high voltage
Medium voltage
Very high
voltage
SiC: Schottky et JBS sont disponibles jusqu’à 1.2 kV. Diodes PiN bientôt disponibles. JFET
(normally - ON) bien avancé. Composants à grille MOS en développement
GaN Développement en cours pour des dispositifs de puissance. Forte potentialité
Diamant:Travaux amont, première phase de développement
52
Plan
•Introduction
•Composants de puissance unipolaires: MOSFETs
–Dispositifs conventionnels « limite du silicium »
–Nouveaux concepts : Superjonction et ilôts flottants
–Limites des performances de ces nouveaux composants
•Compoants MOS/bipolaires: IGBTs
–Nouvelles architectures
–IGBT « faibles pertes »
–Intégration IGBT-diode
–IGBT Bidirectionnels
–Limites des performances des IGBT
•Composants de puissance grand gap
–Propriétés des semiconducteurs grand gap
–Comparaison des limites des performances
–SiC, GaN, Diamant: tendances pour le futur
•Conclusion
53
Composants de puissance au LAAS
DT-SJMOSFET
First MOSFET
VMOSFET
« Floating Islands »
concept
RESURF
LDMOSFET
(First power device)
LUDMOSFET
VDMOSFET
GaN
LDMOSFET
« Low losses »
IGBT
Time (year)
1968
1973
1978
1983
1988
1993
1998
2003
2008
LDMOSFET
FLYMOSFET
with 1 FI
MOS Thyristor
Optical
MOS Thyristor
FLYMOSFET
with 2 FI
Dual Thyristor
Bidirectional IGBT
54
Moyens technologiques
From Mask fabrication
Infrastructure and support
Optical photolithography
Electronic lithography
Thin film deposition
Electrochemical deposition
Metallization
1500 m2 clean room
M.B.E.
From class 10 000 to class 100
Wet
20 M€ equipment
Flexibility
• Manual / Semiautomatic /Automatic equipments
– Si and III-V technologies
– 4’’ Si wafers (upgradeable to 6 ’’)
– Developments in substitution technologies
–
–
–
–
Etching
Plasma Etching
Chemistry
Ion implantation
Packaging
To Characterization
55
Tendances du futur
p
s
-ga ice
nd ev
ba r d
de cto
Wi ndu
co
mi
se
Ne
w
sili
co
na
rch
ite
ctu
res
Nouvelles architectures à grille MOS (MOSFETs, IGBTs)
Schottky and JBS diodes: dispositifs grand gap remplaceront les dispositifs dans la gamme 300 à
600 Volts.
Les composants sur silicium existeront encore dans le futur mais il y aura un développement de
composants « grand gap » pour des marchés de niche dans un premier temps puis une pénétration
progressive de marchés de masse qui exploiteront leur performances
56
Perspectives 2009 to 2015
System Integration
(architecture)
Galvanic insulation
Cooling
Passive (L, C)
Integrated power switch
Thermal management
Galvanic insulation
Control
Protections
Power Switch
Passive (L, C)
Si, SiC or GaN switch
(mono and
bidirectional switch)
Flexible process:
- Dry deep silicon etching
- Trench MOS
- Thin wafer techno
- Wafer bonding
- Vias
- Backside lithography
IPS
Switch
(mono or bidi)
+
driver control,
protections
Technology integration
Materials:
- GaN, SiC,Diamant
Magnetic
- High K
- Low K
- Piezo
3D integration:
- Planarisation process
- Interconnect metallization
- Stacking (3D integration)
- Diamant, CNT
57
Merci pour votre attention !
58