• Langue : Anglais
• Discipline : Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
• Identifiant : 2025ULILN035
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 08/12/2025

Résumé en langue originale

Cette thèse porte sur la conception et l'optimisation de transistors de puissance en nitrure de gallium (GaN), en se concentrant sur les transistors à haute mobilité électronique latéraux (HEMTs) et les transistors MOSFETs verticaux à tranchée (V-T-MOSFETs). L'objectif est d'assurer un fonctionnement robuste et fiable dans la gamme de tension 600-1200 V, tout en maintenant une efficacité élevée et une commutation rapide.Avec la croissance continue de la demande en énergie électrique et en densité de conversion de puissance, les dispositifs en silicium conventionnels atteignent leurs limites physiques et de performance. Les semi-conducteurs à large bande interdite offrent une voie de progrès. Parmi eux, le GaN combine un champ électrique critique élevé et une forte mobilité électronique avec des architectures de dispositifs permettant des convertisseurs compacts, à haute fréquence et à haut rendement énergétique.Le chapitre 1 établit le contexte en retraçant l'évolution des transistors de puissance — des BJTs et MOSFETs aux IGBTs et dispositifs à large bande interdite — et en comparant les propriétés intrinsèques du Si, du SiC et du GaN. Cette analyse met en évidence les avantages du GaN en termes de champ de claquage, de mobilité des porteurs et de capacité fréquentielle, tout en présentant l'état de l'art des technologies latérales et verticales.Le chapitre 2 est consacré à l'optimisation des HEMTs GaN latéraux. À l'aide d'une combinaison de simulations TCAD et de fabrications de prototypes, l'influence de paramètres clés tels que la concentration en carbone du buffer et la composition du back-barrier est étudiée. Une attention particulière est portée aux HEMTs GaN sur substrats saphir, optimisés en vue d'une voie d'intégration verticale innovante basée sur la technique d'exfoliation, étudiée par simulation. La caractérisation expérimentale confirme les tendances simulées et fournit des lignes directrices de conception pour atténuer les phénomènes de piégeage et améliorer les performances dynamiques.Le chapitre 3 aborde le développement des architectures GaN verticales, en présentant la conception, la fabrication et la caractérisation de V-T-MOSFETs GaN sur silicium. Des techniques de terminaison de bord, telles que l'implantation de fluor et la recroissance de p-GaN, sont évaluées par simulation. Un procédé complet de fabrication d'un transistor vertical GaN-on-Si est développé, et les dispositifs réalisés sont caractérisés électriquement afin de mettre en évidence à la fois leur potentiel et leurs limitations actuelles.Le chapitre 4 explore des stratégies futures d'optimisation des dispositifs GaN verticaux, incluant la gravure de tranchées à faible dommage, l'arrondissement des coins et l'ingénierie du diélectrique de grille pour réduire les concentrations de champ électrique et les pièges d'interface. Des méthodes visant à renforcer la robustesse des dispositifs, telles que les grilles p-protégées et les conceptions à corps p incliné, sont également discutées. Ces approches ouvrent la voie à la réalisation de transistors GaN fiables et à haute tension pour les applications automobiles, les énergies renouvelables et les réseaux électriques.

Résumé traduit

This thesis investigates the design and optimization of gallium nitride (GaN) power transistors, focusing on lateral high-electron-mobility transistors (HEMTs) and vertical trench MOSFETs (V-T-MOSFETs). The objective is to achieve robust and reliable operation in the 600-1200 V class while maintaining high efficiency and fast switching.As demand for electrical energy and power-conversion density continues to grow, conventional silicon devices are reaching their physical and performance limits. Wide bandgap semiconductors provide a path forward. Among them, GaN combines a high critical electric field and high electron mobility with device architectures that enable compact, high-frequency, and energy-efficient converters.Chapter 1 establishes the context by retracing the evolution of power transistors from BJTs and MOSFETs to IGBTs and wide bandgap devices, and by benchmarking the intrinsic properties of Si, SiC, and GaN. This analysis highlights GaN's advantages in breakdown field, carrier mobility, and frequency capability, and reviews the state of the art in both lateral and vertical device families.Chapter 2 focuses on the optimization of lateral GaN HEMTs. Using a combination of TCAD simulations and prototype fabrication, the influence of key design parameters such as buffer carbon concentration and back-barrier composition is investigated. Particular emphasis is placed on GaN HEMTs on sapphire substrates, which are optimized in view of an innovative vertical integration pathway based on the exfoliation technique that is studied by simulation. Experimental characterization validates the simulated trends and provides design guidelines to mitigate trapping and improve dynamic performance.Chapter 3 addresses the development of vertical GaN architectures, presenting the design, fabrication, and characterization of GaN V-T-MOSFETs on silicon. Edge-termination techniques including fluorine implantation and p-GaN regrowth are evaluated through simulation. A complete fabrication flow for a vertical GaN-on-Si transistor is developed, and the resulting devices are electrically benchmarked to highlight both their potential and their current limitations.Chapter 4 explores future optimization strategies for vertical GaN devices, including low-damage trench etching, corner rounding, and gate-dielectric engineering to suppress electric-field crowding and interface trapping. Methods to improve device ruggedness, such as p-shielded gates and slanted p-body designs, are also discussed. These approaches point toward the requirements for reliable, high-voltage GaN transistors in automotive, renewable energy, and grid applications.