La diode Schottky en diamant : le présent et le futur

International audienceDes diodes Schottky en diamant avec une structure pseudo-verticales montrant une densité de courant de 10^3A/cm2 (à 6V) avec un champ de claquage supérieur à 7.7MV/cm ont été réalisées. Ces diodes ont été obtenues par croissance homoépitaxiale du diamant avec le zirconium comme métal de contact Schottky. Ces résultats ont permis d'avoir le record mondial actuel du facteur de Baliga pour le diamant avec 244MV/cm^2. Ces travaux montrent que les potentialités du diamant ne sont pas uniquement théoriques. La maitrise actuelle des interfaces et de la croissance permettent d'imaginer des composants de puissance performant en poussant le diamant dans ses retranchements

Design and characterization of a signal insulation coreless transformer integrated in a CMOS gate driver chip

International audienceWith the development of multi-level, multiphase or network converters requiring the implementation of numerous distinct power transistor gate drivers, the control signal insulation is becoming more and more important in power converters. This paper presents an isolation technique based on a coreless transformer integrated in a CMOS silicon die together with the gate driver and other required functions. The associated demodulation circuit will also be presented, as the control signal must be modulated at a high frequency through the coreless transformer. The chosen design methodology will be explained and experimental results will be shown in order to validate the functionality

Diamond power devices: State of the art, modelling and figures of merit

With its remarkable electro-thermal properties such as the highest known thermal conductivity (~22W/cmbold dotK at room temperature) of any material, high hole mobility (> 2000cm2/Vbold dots), high critical electric field (>10MV/cm), and large bandgap (5.47eV), diamond has overwhelming advantages over silicon and other wide bandgap semiconductors (WBG) for ultra-high- voltage and high temperature applications (>3kV and >450 K, respectively). However, despite their tremendous potential, fabricated devices based on this material have not delivered yet the expected high-performance. The main reason behind this is the absence of shallow donor and acceptor species. The second reason is the lack of consistent physical models and design approaches specific to diamond-based devices that could significantly accelerate their development. The third reason is that the best performances of diamond devices are expected only when the highest electric field in reverse bias can be achieved, something that has not been widely obtained yet. In this context, high temperature operation and unique device structures based on the 2DHG formation represent two alternatives which could alleviate the issue of the incomplete ionization of dopant species. Nevertheless, ultra-high temperature operations and device parallelization could result in severe thermal management issues and affect the overall stability and long-term reliability. Additionally, problems connected to the reproducibility and the long-term stability of 2DHG based-devices still need to be resolved. This review paper aims at addressing these issues by providing the power device research community with a detailed set of physical models, device designs and challenges associated to all the aspects of the diamond power device value chain, from the definition of figures of merits, the material growth and processing conditions, to packaging solutions and targeted applications. Finally, the paper will conclude with suggestions on how to design power converters with diamond devices and will provide the roadmap of diamond devices development for power electronics.This work was supported by the U.K. Engineering and Physical Sciences Research Council for the University of Cambridge Centre for Doctoral Training under Grant EP/M506485/1 and by the French ANR Research Agency under grant ANR-16-CE05-0023 #Diamond-HVDC. The research leading to these results has been performed within the GREENDIAMOND project and received funding from the European Community's Horizon 2020 Programme (H2020/2014–2020) under grant agreement no. 640947

Transfert isolé des signaux de commande dans le contexte de l'intégration pour les composants actifs d'électronique de puissance

Cet article présente plusieurs solutions originales afin de réaliser un transfert isolé des ordres de commutation pour les semiconducteurs de puissance. Sous la contrainte de l'intégration aussi bien monolithique qu'hétérogène, trois solutions sont présentées de façons théoriques et expérimentales. Le premier mode de réalisation intégrée de l'isolation galvanique est une solution optique intégrée au composant de puissance et/ou au sein de son circuit de commande de type CMOS. Les performances statiques et dynamiques des récepteurs optiques sont tout à fait compatibles avec l'application. Enfin, plusieurs transformateurs sans noyau magnétique sont conçus, analysés et caractérisés via une réalisation CMOS, en prenant un soin particulier aux couplages hautes fréquences et éléments parasites. Ce circuit de transmission électromagnétique des ordres est intégré avec plusieurs fonctions de pilotages et le bon fonctionnement de l'ensemble du driver est démontré aussi bien pour les composants Haute Tension High Side que Low Side

Mise en place d'un packaging 3D collectif de composants de puissance à structure verticale

International audienceNous présentons dans ce papier l'état d'avancement d'une approche d'assemblage collectif en 3D de modules électroniques de puissance, basée sur des étapes technologiques de fabrication à l'échelle de la plaque (200 mm de diamètre dans notre cas). Le concept repose sur l'intégration des étapes de packaging dans la fabrication front-end des composants. C'est une démarche globale de conception couplée composant-package. Cela inclut la conception des composants, les interconnexions, la fabrication et l'assemblage de toutes les parties. Les étapes spécifiques de fabrication de composants fonctionnels ainsi que celles conduisant à la réalisation d'un leadframe métallique sont décrites ici, comme des éléments clés de l'approche de packaging collectif de modules de puissance

Contributions aux circuits de « gate-driver » dédiés aux transistors de puissance à forte vitesse de commutation dans un environnement haute temperature

International audienceBasé sur les contraintes de fonctionnement des transistors à commutations rapides, cet article présente et analyse la problématique du transfert des ordres de commande du transistor « high-side » dans une configuration de bras d'onduleur. En plus des contraintes imposées par les forts « dv/dt » sur le driver, la température de fonctionnement élevée (jusqu'à 200°C) impose une conception spécifique du circuit de commande. Aujourd'hui, la technologie silicium reste la solution la plus fiable et la plus mature pour la conception du driver mais au prix d'une mise en œuvre délicate (tenue en tension, température, dv/dt). Trois solutions sont proposées et comparées : transformateur coreless, level-shifter et émetteur/récepteur optique. Les délais de propagation, l'intégrité du signal (durée du rapport cyclique et précision temporelle) ainsi que l'immunité aux dv/dt des prototypes sont caractérisées en fonction de la température ambiante de fonctionnement.</p

Simulation numérique et caractérisation de composants de puissance en diamant

International audienceCet article présente les avancées sur la simulation analytique et numérique de composants de puissance en diamant, ainsi que les problématiques de caractérisation associées. Les modèles spécifiques au diamant ont été implémentés et ont été calibrés en confrontant les résultats de simulation aux dernières données expérimentales existantes. Enfin, un soin particulier a été apporté sur la maîtrise de l'auto-échauffement et de la calibration de la température du composant diamant sous test.  </p

Challenges and benefits of microelectronics for power electronics: from integrated optical driving to optimized power semiconductor switches

International audienc

Challenges and benefits of microelectronics for power electronics: from integrated optical driving to optimized power semiconductor switches

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Diamond power electronics : from device simulation to implementation in power converters

International audienceIn this talk, I will focus on the specificities of diamond power devices, from the simulation of Field Effect high voltage Transistors (FET) to the characterization and implementation of diamond devices in power converters. Indeed, diamond has unique electrical and thermal properties and dedicated simulation and characterization tools are required [1]. Moreover, to demonstrate the full potential of diamond in power electronics, high temperature operation above 200°C is required to reduce conduction losses and reach higher figure of merits [2-4]. However, typical electronics associated with diamond power devices will have eventually to work at such high temperatures, with high constraints on reliability. Possible solutions to guarantee low conduction losses and high switching speed with diamond power devices will be presented. In this context, I will first present the recent research on simulation of diamond power devices, with a special focus on FET and drift region optimization (contribution of contact, access, channel and drift region resistance to the total ON state resistance). The transient dV/dt immunity of different FET architectures has been studied and will be presented, with design constraints above 200kV/µs to guarantee low switching losses. Model accuracy (avalanche breakdown, conduction mechanisms, impurity modelling) and convergence issues (2D and 3D structures, transient analysis, temperature dependence) will be discussed.Finally, characterization and implementation of diamond power devices in a 100W power commutation cell will be described. A particular focus will be done on self-heating during measurements (DC, pulsed DC, large signal switching), dedicated high temperature - high speed gate drivers and optimized power commutation cell. New prospects such as monolithic integration for diamond power electronics will be briefly introduced. Although a lot of work is still remaining on the material side, it is indeed the right time to push forward the diamond power electronics.The research leading to these results has been performed within the GreenDiamond project (http://www.greendiamond-project.eu/) and received funding from the European Community's Horizon 2020 Programme (H2020/2014-2020) under grant agreement n° 640947