Conception de nouveaux interrupteurs de puissance haute tension à SuperJonction – SUPER SWITCH

Plusieurs étapes technologiques doivent être étudiées, améliorées et comparées : gravure profonde (LAAS et GREMAN), dopage (LAAS, GREMAN et IBS) et dépôt de diélectrique dans les tranchées profondes (LAAS).

Des gravures profondes verticales ont été obtenues par ICP-DRIE au LAAS et par électrochimie au GREMAN. Des implantations PIII ont été effectuées en surface des wafers à IBS : il reste à les transposer dans les tranchées profondes obtenues au LAAS et au GREMAN.

La suite concerne les tests de dopage P par PIII dans les tranchées qui doivent être validés par la conception de diodes à Superjonction dans un premier temps.

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La recherche et le développement dans le domaine des énergies renouvelables « vertes » sont un des objectifs les plus importants pour le futur de l’humanité. L’amélioration du rendement de la chaîne d’énergie nécessite une amélioration du rendement de chaque partie la constituant. Le secteur des transports consomme 25% de l’énergie mondiale et utilise plus de la moitié du pétrole produit dans le monde. Par conséquent, les activités de recherche liées à l’utilisation d’énergies alternatives pour les transports terrestres (véhicules hybrides et électriques par exemple) sont d’une importance majeure.
Les activités de recherche en électronique de puissance répondent pleinement à ces futurs changements : il y a de nombreuses applications (traction électrique, gestion du réseau de distribution électrique, domotique, transports, systèmes portables,…) utilisant une large variété de composants de puissance. L’amélioration drastique des performances de ces composants, en termes d’économie énergie, de coût, de taille, de poids et de fiabilité, est un facteur clé de sauvegarde de l’énergie.
C’est dans ce contexte que se situe le projet de recherche « SUPER SWITCH » proposé ici.
Le principal objectif de ce projet est de proposer une alternative à l’IGBT utilisé dans les convertisseurs de puissance dans la gamme des tenues en tension 600-1200 V. Ces convertisseurs de puissance sont notamment utilisés dans le transport électrique (transport ferroviaire, véhicules hybrides et électriques,…). Aujourd’hui, jusqu’à 600 V, le principal concurrent de l’IGBT est le MOSFET. En effet, le MOSFET présente des propriétés intéressantes (rapidité, impédance d’entrée élevée, stabilité thermique, diode de roue libre interne) pour les applications de puissance mais, dans la gamme 600-1200 V, il est limité par sa résistance à l’état passant (ON) élevée et, par conséquent, sa chute de tension à l’état ON importante, qui implique des pertes plus élevées que les composants bipolaires : trouver le meilleur compromis entre résistance à l’état passant et tenue en tension est un des défis majeurs pour les interrupteurs de puissance unipolaires.
C’est pour cette raison que plusieurs structures innovantes ont été récemment proposées pour dépasser la limite théorique du compromis « résistance à l’état passant / tenue en tension » des composants de puissance unipolaires conventionnels. La meilleure de ces structures est le transistor MOS à SuperJonction commercialisé par Infineon (COOLMOS™) puis STMicroelectronics (MDMESH™) ; ces composants sont fabriqués en utilisant un procédé multi-épitaxie qui est un procédé cher.
Dans ce projet, nous proposons de nouvelles voies pour la réalisation de composants à SuperJonction dans la gamme 600-1200 V, en utilisant un procédé mono-épitaxie : la réalisation d’interrupteurs de puissance très performants et à bas coût, en comparaison avec les procédés d’Infineon et STMicroelectronics, sera alors possible si le projet est une réussite.
En se basant sur les compétences complémentaires du LAAS-CNRS, du LMP, de l’IMS et de la société IBS, ce projet permettra donc la fabrication de diodes (DT-SJDiodes) et MOSFETs (DT-SJMOSFETs) à SuperJonction à tranchées profondes, incluant une terminaison originale, la « Deep Trench Termination » (DT2). Les performances de ces composants étant sensibles à la balance des charges, plusieurs étapes critiques du procédé seront étudiées et développées : gravure profonde avec parfaite verticalité des tranchées, dopage le long des tranchées et remplissage de celles-ci avec un diélectrique capable de remplir des tranchées profondes et larges ou fines. L’influence de ces étapes sur les performances électriques et thermiques sera également étudiée. Les simulations « process » permettront de définir le procédé de fabrication optimal de ces composants. Enfin, des DT-SJDiodes, DT-SJMOSFETs et DT2 seront fabriqués puis caractérisés en termes de performances (électriques, thermiques) et de robustesse.