Développement de nouveaux composants de puissance verticaux GaN-sur-silicium

Abstract

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.