MOSFET DE PUISSANCE VERTICAL TOUT DIAMANT – MOVeToDiam

Le projet MOVeToDiam vise à concevoir et fabriquer : un transistor MOS vertical et une diode TMBS 6kV fonctionnant à 300°C. De tels dispositifs nécessitent un contrôle précis et simultané de nombreuses étapes. Dans cette optique, l’approche scientifique a été la suivante :
• Croissance et caractérisations d’empilements avec contrôle de l’épaisseur et du dopage des différents couches qui les composent (LSPM, GEMaC). En effet ces paramètres ainsi que la qualité des couches sont directement liés aux performances électriques des transistors MOS. Une attention particulière a été portée sur l’étude de la densité des défauts et la qualité des interfaces.
• Développement et consolidation d’étapes technologiques critiques qui sont fondamentales pour la fabrication de MOSFET de puissance en diamant :
o contacts ohmiques faiblement résistifs à la fois sur le type n (IBS, GEMaC) et sur diamant de type p (IBS),
o contrôle de l'état de l'interface diélectrique/diamant, dépôt diélectrique (LAAS)
o gravure de tranchées dans les empilements avec des flancs parfaitement verticaux (LAAS).
• Caractérisations aussi bien des empilements que des étapes technologiques. L'objectif est de créer un cercle vertueux conduisant à transférer des informations utiles pour la simulation et la conception des structures de composants proposées et aussi pour fournir des retours sur l’optimisation des briques technologiques.
• Conception de diode TMBS et de MOSFET vertical grâce à des simulations TCAD. Les simulations à base d'éléments finis effectuées permettent d’évaluer l’influence de la maturité des développements technologiques (LAAS-AMPÈRE) sur les performances statiques (« trade-off résistance spécifique en marche / tension de claquage ») des composants.
La synthèse des travaux réalisés durant le projet doit au final conduire à la fabrication et caractérisation des démonstrateurs.

Même si à ce jour il n’est pas encore possible de réaliser de transistor MOS, les diodes verticales de puissance (PIN Figure 1) et les structures de test réalisées permettent de valider les avancées majeures du programme, comme :
• Limiter la propagation des défauts lors de la croissance d’empilement de couches diamant
• La croissance d’empilement de type N+/N sur une couche très épaisse (> 300 µm) fortement dopée au bore (Type P)
• Le contrôle du dopage des couches de type N sur une gamme de quelques 1014 à quelques 1019 at/cm3 sur une épaisseur de quelques micromètres.
• Le dopage par implantation de type P et N
• La gravure de tranchées de 6 µm dans le diamant sans surgravure
• La conception et optimisation de diode TMBS 6kV et MOS pseudo vertical.

Des avancées majeures sont à noter concernant les procédés de croissance. Pour le LSPM le verrou reste l’obtention de conditions de croissances avec des fortes concentrations de bore mais avec un impact limité sur la présence de contraintes. En effet, si ces dernières ont un impact positif sur la propagation des dislocations, leur présence est tout de même à éviter car des ruptures de matériaux peuvent avoir lieu lors du polissage ou la manipulation de ces matériaux contraints. Les pistes identifiées reposent principalement sur l’utilisation de substrat HPHT IIa avec de très faibles contraintes ou développer des étapes technologiques permettant de réduire les contraintes.
Pour le type N (GEMaC), il reste à améliorer le contrôle des interfaces, de la contamination en bore et de la relaxation de contraintes. Le taux de compensation des couches et les mobilités électroniques du diamant de type n dopé phosphore peuvent encore être améliorés au regard des valeurs atteintes pour le dopage de type p au bore. De prochaines investigations sont indispensables pour évaluer notamment l’influence de l’oxygène dans les préparations des surfaces et/ou dans le mélange gazeux pendant la croissance.
À l’issue du programme le LAAS maitrise les briques de base indispensables à la filière technologique pour la fabrication de composants de puissance diamant telles que la gravure ou la réalisation de contacts ohmiques. Le contact ohmique sur type N n’a pas encore été démontré mais les avancées primordiales obtenues dans le programme en termes de dopage par implantation permettront de répondre à ce défi. En ce qui concerne l’implantation et l’activation des dopants IBS, le GEMaC et le LAAS ont pu confirmer la faisabilité de cette technique qui permettra d’augmenter les performances des composants mais aussi d’ouvrir le champ du possible vers d’autres technologies. Nous pensons continuer à travailler sur cette thématique de dopage du diamant par implantation en explorant d’autres types de dopant. Les études de traitement de surface et de dépôt de diélectriques réalisées n’ont pas permis d’aboutir à la maitrise de la qualité de l’interface Diamant/diélectrique, mais ont orienté les recherches vers des oxydes métalliques (Al2O3, HfO2).
Les travaux menés par le LAAS et AMPÈRE dans le cadre de MOVEToDiam ont permis le dimensionnement d’une diode de type TMBS haute tension et d’un transistor MOSFET à grille en U, tous deux verticaux, en accord avec les données physiques du matériau présents dans la littérature. À ce jour, des résultats de caractérisation physique et électrique de structures de test sont encore nécessaires pour recalibrer le simulateur TCAD et le rendre plus proche du comportement des composants fabriqués, par exemple par la prise en compte plus exhaustive des pièges aux interfaces entre les couches de diélectrique et le diamant. Ces travaux forment une base solide pour continuer la conception de futurs composants de puissance en diamant.

Les résultats du programme ont fait l’objet de nombreuses communications dans les congrès et de publications dans des revues, participant ainsi à l’évolution de l’état de l’art sur diamant durant la période du programme notamment dans le domaine de la synthèse du diamant (LSPM, GEMaC).
L’optimisation de briques technologiques comme la réalisation de contact ohmique, le dépôt de couche diélectrique ou le dopage par implantation ionique ont fait l’objet de communications multi-partenaires dans des conférences internationales, mettant en lumière la complémentarité des équipes impliquées dans le programme MOVEToDiam (LAAS, IBS, LSPM, GEMaC). Enfin 2 communications dans des conférences ont traité des études de conception de diodes TMBS menées par le LAAS et AMPÈRE.

L'évolution des besoins énergétiques, dus à l'augmentation des applications électriques et de la consommation électrique, ainsi qu’à la diversification des technologies liées au développement des énergies renouvelables, nécessite de modifier les méthodes de transport, de distribution et de gestion de l'énergie (smart-grid, HVDC, ...). Dans ce contexte, l'émergence de dispositifs de puissance fonctionnant en environnement sévères (haute tension, haute fréquence, haute température, radaitions, ...) devrait répondre au besoin pour faire évoluer le réseau électrique actuel vers le réseau de distribution énergétique du futur. Par exemple, il est indispensable d’adapter les technologies de convertisseur de puissance et de modifier les interrupteurs à base de semiconducteurs pour qu’ils supportent des tensions bien supérieures à 10 kV.
Les propriétés électroniques et électrothermiques des semiconducteurs à large bande interdite (WBG) permettent de fabriquer des composants de puissance qui fonctionnent à haute tension, haute fréquence et haute température. Ces dernières années, plusieurs composants de puissance innovants à base de WBG ont été proposés et commercialisés. Les plus connus sont le MOSFET SiC (Wolfspeed) et le HEMT GaN (EPC, GaN System). L'intérêt des matériaux WBG est dedépasser la limite du compromis "résistance spécifique à l’état passant / tension de claquage" des dispositifs de puissance conventionnels silicium.
Dans un tel contexte, le Diamant est le candidat idéal pour répondre à plusieurs des problèmes susmentionnés. Ses propriétés électriques (largeur de bande interdite, conductivité thermique, mobilité des porteurs, champ électrique critique) sont sans aucun doute les plus élevées des WBG. Cependant, le diamant est, pour le moment, un matériau technologiquement moins mature.
Le but ambitieux du projet MOVeToDiam est de créer une percée technologique majeure en développant des étapes technologiques cruciales dans la filière « Diamant » pour concevoir et fabriquer la prochaine génération de composants de puissance fonctionnant à 300 ° C : un MOSFET vertical à canal p et à grille en U (Diam-UpMOSFET), ainsi qu’une diode très haute tension TMBS (Trench MOS Barrier Schottky). La démonstration de la faisabilité de ces dispositifs « Diamant » nécessite une recherche fondamentale avec un fort potentiel de rupture technologique telles que l'empilement de couches de diamant de types n et p, les contacts ohmiques faiblement résistifs sur les deux types de diamant, le contrôle de l'interface diamant/diélectrique et la gravure de tranchée parfaitement verticale.
De tels défis peuvent être relevés grâce à l'expertise internationale et à la complémentarité de 4 laboratoires universitaires, à savoir LSPM, GEMaC, AMPERE, et LAAS, ainsi que de la société IBS, dans le développement de briques technologiques spécifiques au matériau Diamant. Le MOSFET de puissance vertical à canal p et la diode TMBS à base de diamant monocristallin permettront d'obtenir des modules de puissance de faibles poids, intégrés et à haut rendement, fonctionnant à haute fréquence. Ces systèmes seront utilisés dans les transports électriques et les réseaux énergétiques intelligents, principaux domaines d'intérêt du développement durable.
Ces recherches permettraient à la France d'être le leader dans le domaine des composants de puissance Diamant pour les applications très haute tension