Study and realization of high voltage, high power switches on CVD diamond. Development of associated technology

L'évolution des composants d'électronique de puissance se heurte aujourd'hui aux limites physiques du silicium. L'utilisation des semi-conducteurs à large bande interdite permettraient de dépasser ces limites. Parmi ces nouveaux matériaux, le diamant possède les propriétés les plus intéressantes pour l'électronique de puissance : champ de rupture et conductivité thermique les plus élevés parmi les solides, grandes mobilités des porteurs électriques, possibilité de fonctionnement à haute température. Les substrats de diamant synthétisés actuellement par des méthodes de dépôt en phase vapeur ont des caractéristiques cristallographiques compatibles avec l'exploitation de ces propriétés en électronique de puissance. L'utilisation technologique du diamant reste toutefois difficile ; ses propriétés de dureté et d'inertie chimique rendent son utilisation délicate. L'objet de ces travaux est dans un premier temps d'évaluer les bénéfices que pourrait apporter le diamant en électronique de puissance. Ensuite, différentes étapes technologiques nécessaires à la fabrication de composants sur diamant sont étudiées : dépôts de contacts électriques, dopage et gravure ionique. Enfin, une étude sur la fabrication de diodes Schottky est présentée. Les résultats obtenus permettent d'établir les perspectives à ces travaux et les challenges scientifiques et technologiques qu'il reste à relever.The evolution of power electronic devices is getting more and more limited by the silicon intrinsic properties. This limitation could be overcome by using wide bandgap semiconductors. Among these materials, diamond properties are the more fitted for power electronics: the highest critical electric field and thermal conductivity amongst the solids, high carriers mobility, high temperature operation possibility. At this time, diamond samples grown by chemical vapour deposition methods exhibit crystallographic properties that are suitable for a use in power electronics. Though, the realization of diamond power devices remains difficult due to its hardness and chemical inertness, among others. First, this work aims at determining the profit that could represent diamond for power electronics. Second, different technologic steps that are necessary to the realisation of electronic devices are studied: ohmic contacts deposition, doping and ion etching. Finally, the first devices we realised, Schottky diodes, are presented. Their characterisation allows establishing new objectives for the future developments of our studies

Study and realization of high voltage, high power switches on CVD diamond. Development of associated technology

L'évolution des composants d'électronique de puissance se heurte aujourd'hui aux limites physiques du silicium. L'utilisation des semi-conducteurs à large bande interdite permettraient de dépasser ces limites. Parmi ces nouveaux matériaux, le diamant possède les propriétés les plus intéressantes pour l'électronique de puissance : champ de rupture et conductivité thermique les plus élevés parmi les solides, grandes mobilités des porteurs électriques, possibilité de fonctionnement à haute température. Les substrats de diamant synthétisés actuellement par des méthodes de dépôt en phase vapeur ont des caractéristiques cristallographiques compatibles avec l'exploitation de ces propriétés en électronique de puissance. L'utilisation technologique du diamant reste toutefois difficile ; ses propriétés de dureté et d'inertie chimique rendent son utilisation délicate. L'objet de ces travaux est dans un premier temps d'évaluer les bénéfices que pourrait apporter le diamant en électronique de puissance. Ensuite, différentes étapes technologiques nécessaires à la fabrication de composants sur diamant sont étudiées : dépôts de contacts électriques, dopage et gravure ionique. Enfin, une étude sur la fabrication de diodes Schottky est présentée. Les résultats obtenus permettent d'établir les perspectives à ces travaux et les challenges scientifiques et technologiques qu'il reste à relever.The evolution of power electronic devices is getting more and more limited by the silicon intrinsic properties. This limitation could be overcome by using wide bandgap semiconductors. Among these materials, diamond properties are the more fitted for power electronics: the highest critical electric field and thermal conductivity amongst the solids, high carriers mobility, high temperature operation possibility. At this time, diamond samples grown by chemical vapour deposition methods exhibit crystallographic properties that are suitable for a use in power electronics. Though, the realization of diamond power devices remains difficult due to its hardness and chemical inertness, among others. First, this work aims at determining the profit that could represent diamond for power electronics. Second, different technologic steps that are necessary to the realisation of electronic devices are studied: ohmic contacts deposition, doping and ion etching. Finally, the first devices we realised, Schottky diodes, are presented. Their characterisation allows establishing new objectives for the future developments of our studies

Vers la réalisation de composants haute tension, forte puissance sur diamant CVD. Développement des technologies associées.

The evolution of power electronic devices is getting more and more limited by the silicon intrinsic properties. This limitation could be overcome by using wide bandgap semiconductors. Among these materials, diamond properties are the more fitted for power electronics: the highest critical electric field and thermal conductivity amongst the solids, high carriers mobility, high temperature operation possibility. At this time, diamond samples grown by chemical vapour deposition methods exhibit crystallographic properties that are suitable for a use in power electronics. Though, the realization of diamond power devices remains difficult due to its hardness and chemical inertness, among others. First, this work aims at determining the profit that could represent diamond for power electronics. Second, different technologic steps that are necessary to the realisation of electronic devices are studied: ohmic contacts deposition, doping and ion etching. Finally, the first devices we realised, Schottky diodes, are presented. Their characterisation allows us establishing new objectives for the future developments of our studies.L'évolution des composants d'électronique de puissance se heurte aujourd'hui aux limites physiques du silicium. L'utilisation des semi-conducteurs à large bande interdite permettraient de dépasser ces limites. Parmi ces nouveaux matériaux, le diamant possède les propriétés les plus intéressantes pour l'électronique de puissance : champ de rupture et conductivité thermique les plus élevés parmi les solides, grandes mobilités des porteurs électriques, possibilité de fonctionnement à haute température& Les substrats de diamant synthétisés actuellement par des méthodes de dépôt en phase vapeur ont des caractéristiques cristallographiques compatibles avec l'exploitation de ces propriétés en électronique de puissance. L'utilisation technologique du diamant reste toutefois difficile ; ses propriétés de dureté et d'inertie chimique rendent son utilisation délicate. L'objet de ces travaux est dans un premier temps d'évaluer les bénéfices que pourrait apporter le diamant en électronique de puissance. Ensuite, différentes étapes technologiques nécessaires à la fabrication de composants sur diamant sont étudiées : dépôts de contacts électriques, dopage et gravure ionique. Enfin, une étude sur la fabrication de diodes Schottky est présentée. Les résultats obtenus permettent d'établir les perspectives à ces travaux et les challenges scientifiques et technologiques qu'il reste à relever

Vers la réalisation de composants haute tension, forte puissance sur diamant CVD (développement des technologies associées)

L'évolution des composants d'électronique de puissance se heurte aujourd'hui aux limites physiques du silicium. L'utilisation des semi-conducteurs à large bande interdite permettraient de dépasser ces limites. Parmi ces nouveaux matériaux, le diamant possède les propriétés les plus intéressantes pour l'électronique de puissance : champ de rupture et conductivité thermique les plus élevés parmi les solides, grandes mobilités des porteurs électriques, possibilité de fonctionnement à haute température. Les substrats de diamant synthétisés actuellement par des méthodes de dépôt en phase vapeur ont des caractéristiques cristallographiques compatibles avec l'exploitation de ces propriétés en électronique de puissance. L'utilisation technologique du diamant reste toutefois difficile ; ses propriétés de dureté et d'inertie chimique rendent son utilisation délicate. L'objet de ces travaux est dans un premier temps d'évaluer les bénéfices que pourrait apporter le diamant en électronique de puissance. Ensuite, différentes étapes technologiques nécessaires à la fabrication de composants sur diamant sont étudiées : dépôts de contacts électriques, dopage et gravure ionique. Enfin, une étude sur la fabrication de diodes Schottky est présentée. Les résultats obtenus permettent d'établir les perspectives à ces travaux et les challenges scientifiques et technologiques qu'il reste à relever.The evolution of power electronic devices is getting more and more limited by the silicon intrinsic properties. This limitation could be overcome by using wide bandgap semiconductors. Among these materials, diamond properties are the more fitted for power electronics: the highest critical electric field and thermal conductivity amongst the solids, high carriers mobility, high temperature operation possibility. At this time, diamond samples grown by chemical vapour deposition methods exhibit crystallographic properties that are suitable for a use in power electronics. Though, the realization of diamond power devices remains difficult due to its hardness and chemical inertness, among others. First, this work aims at determining the profit that could represent diamond for power electronics. Second, different technologic steps that are necessary to the realisation of electronic devices are studied: ohmic contacts deposition, doping and ion etching. Finally, the first devices we realised, Schottky diodes, are presented. Their characterisation allows establishing new objectives for the future developments of our studies.TOULOUSE-INP (315552154) / SudocSudocFranceF

Le Diamant pour l'Electronique de Puissance - Développement des Technologies Associées

National audienceNous présentons ici nos travaux concernant l'utilisation du diamant en électronique de puissance. Deux aspects distincts sont abordés. Dans un premier temps, nous envisageons le diamant comme substrat pour la réalisation de composants électroniques. Ensuite, nous faisons état de nos études sur son utilisation pour le management thermique

Electrical and mechanical characterisation of Si/Al ohmic contacts on diamond

A new ohmic contact technology on diamond with low resistivity is presented. A Si/AI metallisation is used and leads to a 7 10-6 A.cm2 specific contact resistivity, measured by the transfer length method. Comparison is made between this technology and the Ti/Pt/Au traditional technology. Both technologies show very good electrical, thermal and mechanical characteristics

Thermal stability of silicon-carbide power diodes

International audienceSilicon carbide (SiC) power devices can operate at much higher junction temperature than those made of silicon. However, this does not mean that SiC devices can operate without a good cooling system. To demonstrate this, the model of a Merged PiN Schottky (MPS) SiC diode is presented, and its parameters are identified with experimental measurements. This model is then used to study the ruggedness of the diode regarding the thermal run-away phenomenon. Finally, it is shown that where a purely unipolar diode would be unstable, the MPS structure brings increased stability

Réalisation et caractérisation de contacts ohmiques sur diamant CVD

National audienceDans ce papier, nous présentons nos travaux concernant la fabrication et la caractérisation de contacts ohmiques sur diamant CVD. La première partie fait état de nos avancées concernant le dopage du diamant par implantation ionique de bore. Ensuite, nous présentons les contacts ohmiques que nous avons déposés et caractérisés par méthode TLM. Les deux technologies envisagées, Ti/Pt/Au et Si/Al, donnent des résistances caractéristiques de contact compatibles avec une utilisation en électronique de puissance, de l'ordre de 1.10-5 Ω.cm2. La troisième partie traite de nos avancées dans la mise au point d'une plate-forme de simulation des dispositifs en diamant

Mise en place d'une filière pour la réalisation de composants de puissance en diamant

International audienceIn this paper, advantages offered by diamond for power electronics andtechnological issues that still need to be addressed are presented. Studies were carried out tofabricate Ti/Pt/Au and Si/Al ohmic contacts on CVD diamond, both leading to a 5.10 -5 Ω.cm2contact resistivity. Then a Schottky diode, exhibiting 1200 A/cm2 at 5 V, and a 25 Vbreakdown voltage is presented. Finally, the development of a simulation platform is putforward and discusse

High-temperature behavior of SiC power diodes

International audienceSilicon Carbide devices are in theory able to operate at very high temperatures, but many mechanisms actually lower the limit. In this paper we describe two of these mechanisms: the thermal run-away, and the ageing of the device. Ageing effects are assessed through two different set-ups: SiC diodes in plastic packages are stored for long periods (up to 2000 hrs) in a furnace with a temperature ranging from 200 to 250°C, while bare die diodes are stored in vacuum at a temperature of 350°C. A study is then performed to assess whether the diodes under test, which have a MPS structure, are sensitive to thermal run-away. It is found that the mixed unipolar-bipolar architecture offers much more robustness than a pure Schottky Barrier Diode would