• Langue : Anglais
• Discipline : Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
• Identifiant : 2024ULILN034
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 20/11/2024

Résumé en langue originale

Cette thèse explore le développement de nouveaux dispositifs de puissance verticaux GaN sur silicium, visant à atteindre de hautes performances dans la gamme de 600 à 1200 V avec une fiabilité opérationnelle, incluant la capacité de claquage avalanche. Avecl'augmentation de la demande en énergie de la société moderne, il devient impératif dedévelopper des composants électroniques de puissance plus efficaces. Les dispositifs àbase de silicium traditionnels ont atteint leurs limites physiques, ce qui incite à rechercherdes matériaux alternatifs. Le nitrure de gallium (GaN) s'avère être une solutionprometteuse en raison de ses propriétés physiques supérieures et de son coût defabrication réduit lorsque sa croissance est réalisée sur substrat en silicium. La recherchecommence par une revue complète de l'état de l'art actuel des dispositifs GaN sur silicium, soulignant la nécessité d'architectures verticales par rapport aux conceptions latérales traditionnelles. L'utilisation de composants verticaux est motivée par leur capacité à améliorer la fiabilité, notamment en ce qui concerne le comportement au claquage à haute tension.Des études de simulation utilisant le logiciel Silvaco ont été menées pour optimiser laconception des diodes P-I-N en GaN sur silicium, afin d'améliorer les performances enrégime passant et bloqué. La thèse aborde également les procédés de fabrication, endiscutant de l'optimisation des contacts ohmiques, de la formation de mesa, de laterminaison des bords et de la gravure des couches tampons. Des techniques telles que la passivation au polyimide et des dissipateurs thermiques en cuivre épais ont étéemployées pour améliorer la gestion thermique et la stabilité mécanique.Les résultats clés incluent une réduction significative du courant de fuite et uneamélioration des performances à l'état bloqué de la diode grâce à des techniques decroissance épitaxiale avancées et à des conceptions innovantes de couches tampons. Lapremière démonstration du claquage par avalanche dans des composants verticaux GaNsur substrat de silicium est présentée, atteignant une tenue en tension élevée allantjusqu'à 1200 V. De plus, un transistor de type TMOSFET pseudo-vertical en GaN sursilicium a été développé, démontrant des performances préliminaires prometteuses.Ce travail fonde les bases de futurs progrès dans la technologie GaN sur silicium verticale,soulignant son potentiel en termes de ratio performance / coût pour les futuresapplications en électronique de puissance.

Résumé traduit

This thesis explores the development of novel vertical GaN-on-Silicon power devices,aiming to achieve high performance in the 600-1200 V range with reliable operation,including avalanche capability. As modern society's demand for energy grows, there is anurgent need for more efficient power electronics. Traditional silicon-based devices havereached their physical limits, driving the search for alternative materials. Gallium Nitride(GaN) presents a promising solution due to its superior physical properties and cost-effectivenesswhen grown on silicon substrates.The research begins with a comprehensive review of the current state of GaN-on-Silicondevices, highlighting the need for vertical configurations over traditional lateral designs.The use of vertical designs is motivated by their ability to enhance reliability, particularlyin terms of breakdown behavior at high voltages.Simulation studies using Silvaco software were conducted to optimize the design of GaN on-Silicon P-I-N diodes, targeting improved performance in both on-state and off-stateconditions. The thesis also delves into the fabrication processes, discussing theoptimization of ohmic contacts, mesa formation, edge termination, and buffer layeretching. Techniques such as polyimide passivation and thick copper heatsinks wereemployed to enhance thermal management and mechanical stability.Key findings include a significant reduction in leakage current and improved off-stateperformance through advanced epitaxial growth techniques and innovative bufferdesigns. The first demonstration of avalanche capability in vertical GaN devices on siliconsubstrates, achieving high breakdown voltages up to 1200 V, is presented. Additionally, apseudo-vertical GaN-on-Silicon trench MOSFET was developed, demonstrating promisinginitial performance metrics.This work lays the groundwork for further advancements in GaN-on-Silicon technology,highlighting its potential as a cost-effective, high-performance solution for future powerelectronic applications.