Valentin ACKERMANN's PhD thesis defence

Développement d’un module de grille pour les transistors de puissance verticaux en GaN 

Résumé :

Au cours des dernières décennies, la consommation mondiale d'électricité a connu une croissance continue, portée notamment par la transition énergétique, l'électrification des transports et le développement des infrastructures numériques. Ces évolutions renforcent les besoins en efficacité énergétique. L’amélioration des performances des convertisseurs de puissance constitue ainsi un levier important pour y répondre. Ces systèmes reposent conventionnellement sur des transistors en silicium (Si), dont les propriétés intrinsèques limitent les performances électriques. Les transistors de puissance en nitrure de gallium (GaN) offrent des performances supérieures à celles des dispositifs en Si, permettant notamment d’améliorer le rendement et la compacité des systèmes de conversion. Cependant, l’architecture la plus mature des dispositifs GaN commerciaux est latérale, et la conduction surfacique limite les applications aux faibles et moyennes tensions. Les architectures verticales, reposant sur une conduction volumique, constituent ainsi une voie prometteuse pour atteindre des tensions d’opération et des densités de puissance plus élevées, et élargir le domaine d’application du GaN en électronique de puissance. Parmi les différentes architectures verticales en GaN, les MOSFETs verticaux à tranchée sont des candidats prometteurs. Cette architecture repose sur l’intégration d’une grille MOS, attractive pour un fonctionnement « Normally-OFF » et un bon contrôle de la commutation. Néanmoins, cette brique technologique nécessite un développement approfondi pour obtenir à la fois une tension de seuil (V_th) et une mobilité électronique dans le canal (µ_ch) élevées. Ce travail de thèse porte sur le développement technologique d’un module de grille MOS pour transistors MOSFET verticaux. Les études ont porté sur 1) l’intégration et son optimisation et 2) l’impact de variations de procédés sur les paramètres électriques clés du dispositif, en particulier la tension V_th et de la mobilité µ_ch. Quatre types de véhicules de test ont ainsi été étudiés : capacités MOS planaires, MOSFETs latéraux, MOSFETs pseudo-verticaux et totalement verticaux. La caractérisation électrique de ces dispositifs a ainsi permis de valider l’intégration du module de grille et d’évaluer l’impact des paramètres process suivants : épaisseur du diélectrique de grille, gravure de la tranchée, recuit du diélectrique…Ces travaux ouvrent la voie pour les futures générations de composants MOSFET GaN verticaux à des optimisations ultérieures (du module de grille) en vue d’une maturité maximale.

Mots-clés : GaN, MOSFET, vertical, module de grille, développement technologique, véhicule de test

Membres du jury :

Mohammed ZAKNOUNE, Directeur de recherche, (IEMN CNRS) - Rapporteur

Nathalie MALBERT-SAYSSET, Professeure des universités, (IMS CNRS) - Rapporteure

Camille SONNEVILLE, Maitresse de conférences (INSA Lyon) - Examinatrice

Aurore CONSTANT, Ingénieure Docteure (STMicroelectronics) - Examinatrice

Julien PERNOT, Professeur des universités (Institut Néel) - Examinateur

Bassem SALEM, Directeur de recherche (LTM CNRS) - Directeur de thèse

Julien BUCKLEY, Ingénieur Docteur (CEA Leti) - Encadrant

Blend MOHAMAD, Ingénieur Docteur (CEA Leti) - Encadrant