Conception, fabrication et caractérisation de transistors à très forte puissance sur substrat GaN
- Date :
- Cet événement est passé.
- Type :
- Soutenance de thèse
- Lieu :
- Salle de conférence du LAAS-CNRS à Toulouse, France et par Zoom
Description :
Doctorante: Zahraa Zaidan
Directeur de recherche: Hassan Maher
Directeur de recherche (France): Frédéric Morancho
Résumé: Au cours de la dernière décennie, les transistors au silicium sont devenus un standard dans tous les types d'applications, mais d'autres matériaux semi-conducteurs (en particulier les matériaux III-V) ont été étudiés afin d'exploiter leurs différentes propriétés physiques pour des dispositifs encore plus améliorés. Les propriétés utiles du nitrure de gallium (GaN) semi-conducteur III-V par rapport au silicium sont son énergie de bande interdite plus large, son champ électrique de claquage plus élevé et sa conductivité thermique plus élevée. Ces propriétés permettent aux transistors GaN d'être utilisés plus efficacement comme dispositifs de puissance avec des densités de courant, des vitesses de commutation et un meilleur rendement énergétique plus importants que ceux des dispositifs de puissance en Si. Actuellement, des structures latérales et verticales ont été envisagées pour les dispositifs de puissance GaN. L’immense potentiel du dispositif AlGaN/GaN HEMT provient du gaz électronique à haute densité et haute mobilité formé au niveau de son hétérostructure. Cependant, l'exposition fréquente à l'effondrement du courant de champ électrique élevé et aux conditions de température et de contrainte rend le dispositif vulnérable à des problèmes de fiabilité qui limitent sa fiabilité et ses performances. À l’inverse, les dispositifs de puissance GaN verticaux ont attiré beaucoup d’attention en raison de leur potentiel à atteindre des niveaux élevés de tension et de courant sans agrandir la taille de la puce. Afin de bénéficier des dispositifs latéraux et verticaux, la combinaison de transistors GaN de puissance verticaux pour la commutation de puissance avec des HEMT GaN latéraux à grande vitesse pour piloter efficacement les dispositifs de commutation haute puissance, a été proposée dans cette thèse. De sorte que disposer des deux types de GaN sur la même plaquette ainsi que des composants passifs représente un défi technologique majeur qui permettra l'intégration monolithique d'un circuit de pilotage dédié dans les systèmes de conversion électronique de puissance, minimisant ainsi les effets de volume et parasites qui sont toujours introduits lorsqu'un pilote externe est implémenté. Cette thèse a deux objectifs principaux. Le premier est la conception d’un transistor haute puissance optimisé combinant le GaN HEMT latéral avec le transistor GaN vertical. La tension de claquage et la résistance spécifique à l'état passant sont les principaux paramètres de performances à optimiser. Le deuxième objectif est de développer et d'optimiser un processus de fabrication à faible coût et de haute qualité pour la structure proposée en utilisant l'approche descendante. Plusieurs tests de caractérisation seront effectués pour valider et calibrer le processus de fabrication.
Doctorante: Zahraa Zaidan
Directeur de recherche: Hassan Maher
Directeur de recherche (France): Frédéric Morancho
Résumé: Au cours de la dernière décennie, les transistors au silicium sont devenus un standard dans tous les types d'applications, mais d'autres matériaux semi-conducteurs (en particulier les matériaux III-V) ont été étudiés afin d'exploiter leurs différentes propriétés physiques pour des dispositifs encore plus améliorés. Les propriétés utiles du nitrure de gallium (GaN) semi-conducteur III-V par rapport au silicium sont son énergie de bande interdite plus large, son champ électrique de claquage plus élevé et sa conductivité thermique plus élevée. Ces propriétés permettent aux transistors GaN d'être utilisés plus efficacement comme dispositifs de puissance avec des densités de courant, des vitesses de commutation et un meilleur rendement énergétique plus importants que ceux des dispositifs de puissance en Si. Actuellement, des structures latérales et verticales ont été envisagées pour les dispositifs de puissance GaN. L’immense potentiel du dispositif AlGaN/GaN HEMT provient du gaz électronique à haute densité et haute mobilité formé au niveau de son hétérostructure. Cependant, l'exposition fréquente à l'effondrement du courant de champ électrique élevé et aux conditions de température et de contrainte rend le dispositif vulnérable à des problèmes de fiabilité qui limitent sa fiabilité et ses performances. À l’inverse, les dispositifs de puissance GaN verticaux ont attiré beaucoup d’attention en raison de leur potentiel à atteindre des niveaux élevés de tension et de courant sans agrandir la taille de la puce. Afin de bénéficier des dispositifs latéraux et verticaux, la combinaison de transistors GaN de puissance verticaux pour la commutation de puissance avec des HEMT GaN latéraux à grande vitesse pour piloter efficacement les dispositifs de commutation haute puissance, a été proposée dans cette thèse. De sorte que disposer des deux types de GaN sur la même plaquette ainsi que des composants passifs représente un défi technologique majeur qui permettra l'intégration monolithique d'un circuit de pilotage dédié dans les systèmes de conversion électronique de puissance, minimisant ainsi les effets de volume et parasites qui sont toujours introduits lorsqu'un pilote externe est implémenté. Cette thèse a deux objectifs principaux. Le premier est la conception d’un transistor haute puissance optimisé combinant le GaN HEMT latéral avec le transistor GaN vertical. La tension de claquage et la résistance spécifique à l'état passant sont les principaux paramètres de performances à optimiser. Le deuxième objectif est de développer et d'optimiser un processus de fabrication à faible coût et de haute qualité pour la structure proposée en utilisant l'approche descendante. Plusieurs tests de caractérisation seront effectués pour valider et calibrer le processus de fabrication.