Interrupteurs à haute tension à commande optique – HV-PhotoSw

Un process flow, c’est-à-dire la succession d’étapes technologiques pour la fabrication de ces composants a nécessité le développement et l’optimisation de certaines étapes technologiques. Cela a été notamment réalisé dans le cadre du travail du postdoctorant recruté dans le projet.

Pour optimiser la conception des composants visés, des simulations numériques de type Technology computer-aided design ou TCAD, ont été réalisées. Le doctorant recruté sur le projet a largement contribué à ces simulations numériques pour l’optimisation de la cellule élémentaire qui fixe le gain en courant et la protection périphérique, qui détermine la tenue en tension.

Un jeu de masques a été réalisé avec des scripts (Klayout/Ruby) permettant une grande souplesse. De nombreux champs de test, électriques et optiques ont été réalisés et leur exploitation permettra aux partenaires de publier des résultats originaux avec un niveau d’analyse très fin.

Deux lots de fabrication ont été réalisés en utilisant les salles technologiques de l’ESIEE (laboratoire ESYCOM UMR CNRS 9007) et NanoMat/UTT (laboratoire L2n EMR CNRS 7004).

Des caractérisations électriques sur wafer ont été réalisées à l’ISL pour les caractérisations haute tension sous vide et à Ampère pour les caractérisations à l’état passant. Des caractérisations électriques et optiques sur des composants packagés ont été réalisées.

Après analyse, un retour sur expérience de la conception des composants a été fait entre les 2 lots (Klayout/Ruby).
Le dernier lot de fabrication a été finalisé à la fin 2023 et il fera l’objet de mesures en dehors du projet.

Les objectifs principaux du projet HV-PhotoSw ont été atteints :
• conception et fabrication d’un BJT 10 kV. Nous avons obtenu 11.2 kV comme meilleure tenue en tension et les caractérisations à l’état passant ont montré le bon fonctionnement du BJT avec un gain en courant de 15 à IC=15 A.
• commande optique du BJT haute tension. Nous avons réussi à commander optiquement des BJT optiques avec un laser pulsé et avec une LED UV.
Nous détenons ainsi un record mondial de composant BJT à commande optique haute tension, à savoir 10 kV.

Notre papier a reçu le prix du « Best Student Paper » à la conférence internationale sur les semiconducteurs IEEE CAS 2022.

Nous envisageons de présenter nos résultats, a priori en 2024 aux institutions et industriels qui se sont montrés intéressés par nos travaux.
Le projet HV-PhotoSw est maintenant terminé et nous avons consommé la quasi-totalité des ressources allouées. Le second lot sera terminé en décembre 2023.
Cela nous laisse de nombreuses mesures intéressantes à faire et à publier :
• Caractérisation en commutation des BJT électriques, sur un banc 1000 V et sur un banc 10 kV,
• Caractérisation en commutation et en commande optique d’un BJT 10 kV,
• Caractérisation par banc µ-obic afin de juger de l’efficacité des protections périphériques sur motifs de test spécifique,
• Test d’un BJT dans une fonction DC-breaker.

AMMAR, Ali, PHUNG, Luong Viêt, PLANSON, Dominique, et al. Design and Methodology of Silicon Carbide High Voltage Termination Extension for Small Area BJTs. In : Materials Science Forum. Trans Tech Publications Ltd, 2022. p. 613-618. hal 03703994

AMMAR, Ali, LAZAR, Mihai, VERGNE, Bertrand, et al. Design, Fabrication and Characterization of 10 kV 4H-SiC BJT for the Phototransistor Target. SCIENCE AND TECHNOLOGY, 2023, vol. 26, no 2, p. 193-204. hal-04276812

AMMAR, Ali, LAZAR, Mihai, VERGNE, Bertr, et al. Optimized Junction Termination Extension and Ring System for 11 kV 4H-SiC BJT. In : 2022 International Semiconductor Conference (CAS). IEEE, 2022. p. 191-194. hal-03856578

BROSSELARD, Pierre, PLANSON, Dominique, TOURNIER, D., et al. Design and Characterization of an Optical 4H-SiC Bipolar Junction Transistor. In : ICSCRM 2023-International Conference on Silicon Carbide and Related Materials. 2023. hal-04222211

AMMAR, Ali. Design, conception, and fabrication of high-voltage bipolar devices based on 4H-SiC. 2023. Thèse de doctorat. Lyon, INSA.

Le déploiement des énergies renouvelables implique une mutation des réseaux électriques pour les intégrer. Les nouveaux réseaux HVDC et MVDC nécessitent des convertisseurs de puissance à haute tension. Le carbure de silicium (SiC) est un bon matériau pour les dispositifs de puissance à haute tension, tandis que le nitrure de gallium (GaN) a une plage de tension limitée et le diamant reste une cible à long terme. Les composants SiC de 10 kV et plus sont courants dans les projets de recherche alors que les composants de 3,3 kV sont en cours d'industrialisation. Cependant, pour réaliser des convertisseurs à haute tension, il est nécessaire d'associer en série des modules ou des composants de puissance. Donc, un problème majeur est la conception de drivers hautement isolés (jusqu'à plusieurs centaines de kV). Il existe certaines solutions comme l'auto-alimentation, mais ces solutions sont complexes et peuvent diminuer la fiabilité globale du système.

Le phototransistor est un dispositif classique notamment en silicium. Si certains thyristors SiC à commande optique ont été démontrés, à notre connaissance, un bipolaire (BJT) à contrôle optique n'a pas encore été démontré pour des applications haute tension. L'avantage du phototransistor est d'éviter l'utilisation d'un circuit de commande, car l'isolation électrique peut être facilement réalisée par une fibre optique.
Ainsi, le projet propose la conception et la fabrication d'un phototransistor haute tension. L'intérêt d'un tel dispositif de puissance est très élevé en raison de la simplification de l'isolation des drivers. De plus, une surface de SiC donnée, le BJT est le meilleur composant avec les plus faibles pertes à l’état passant.

Le consortium est composé de 2 partenaires académiques (Ampere et ISL) et d'une PME (NovaSiC).
NovasiC optimisera un dépôt chimique en phase vapeur, CVD, rapide pour la couche épitaxiée épaisse à faible dopage (type n) nécessaire pour réaliser des dispositifs de 10 kV. L'objectif est de réduire le coût de ce processus, qui représente une part importante des coûts globaux du processus pour de tels dispositifs. Les résultats obtenus seront comparés aux couches épitaxiées commerciales.

Le projet propose la fabrication et le test de phototransistors haute tension, sur deux lots de fabrications. Pour réduire les risques, certains transistors auront une métallisation de base pour permettre des tests électriques. Les 4 types de dispositifs fabriqués seront verticaux 10 kV. Cette cible de tension bloquée a l'avantage d'être intéressante pour de nombreuses applications (e-transformateur, modules pour applications HVDC ou MVDC...) et ne pas être trop difficile à fabriquer dans une salle blanche académique. Cependant, pour obtenir un BJT performant, le procédé de fabrication devra être précis pour la photolithographie, la gravure sèche, la passivation et le packaging. La réalisation technologique sera faite à l'ESIEE reconnue pour le professionnalisme et le soutien aux projets de recherche développés sur sa salle blanche de 600 m2, offrant une technologie complète de 100 à 150 mm.
Tous les BJT haute tension utiliseront un même masque. Selon les résultats du projet, nous attendons :
    • de grands phototransistors 10 kV pour des convertisseurs efficaces et isolés (HVDC, MVDC), disjoncteur CC (état solide).
    • de grands photo-Darlington 10 kV pour toutes les applications où l'efficacité n'est pas critique: applications à impulsions uniques, disjoncteurs CC (hybrides), amortisseurs actifs ...
    • des interrupteurs optiques 10 kV, c'est-à-dire un grand BJT avec un phototransistor en silicium et une auto-alimentation: une alternative de la première cible pour comparer le phototransistor à une solution plus classique.
    • Grands BJT de 10 kV (15 kV) ou 3,3 kV, en alternative aux MOSFET SiC sans les problèmes de fiabilité de l'oxyde de grille pour les applications nécessitant une grande efficacité: HVDC, MVDC, traction électrique.