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THÈSE - Développement de briques technologiques pour la réalisation de transistor MOS de puissance en Nitrure de Gallium


tensions alternatives à base de MEMS
Al Alam, Elias
Sous la direction du :  Morancho, Frédéric . Cazarré, AlainEcole doctorale: Génie électrique, électronique, télécommunications (GEET)
laboratoire/Unité de recherche : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (LAAS) - CNRS
Mots-clés libres : Nitrure de Gallium - Structures MOS - Dépôt du diélectrique - Implantation ionique - Gravure RIE
Sujets : Electricite, électronique, automatique

Table des matières

Introduction générale  

1 Les interrupteurs de puissance : du silicium au nitrure de gallium  

1.1 Introduction  

1.2 Interrupteurs de puissance 

1.2.1 Composants de puissance unipolaire : le MOSFET
1.2.1.1 Fonctionnement à l’état passant
1.2.1.2 Fonctionnement à l’état bloqué
1.2.1.3 Le transistor VDMOS
1.2.1.4 Le transistor LDMOS
1.2.1.5 Le transistor LDMOS Resurf
1.2.1.6 Le transistor MOS de puissance à Superjonction
1.2.1.7 Le transistor MOS à îlots flottants : le FLIMOS
1.2.2 Composants de puissance bipolaire : l’IGBT
1.2.2.1 L’IGBT Non-Punch-Through
1.2.2.2 L’IGBT Punch-Through
1.2.3 Les limites du silicium  

1.3 Les matériaux à large bande interdite (grand gap) 

1.3.1 Propriétés des matériaux à large bande interdite
1.3.2 Choix du GaN  

1.4 Les composants en GaN 

1.5 Objectif de la thèse
1.6 Conclusion  

2 Processus de dopage et gravure du GaN au laboratoire  

2.1 Introduction  

2.2 Dopage du matériau GaN 

2.2.1 Origine du dopage résiduel
2.2.2 Dopage de type N
2.2.3 Dopage de type P 

2.3 Implantation ionique dans les semiconducteurs : généralités 

2.3.1 Implantation ionique dans le GaN 

2.4 Généralités sur la gravure RIE 

2.4.1 Nécessité de la gravure RIE
2.4.2 Définition
2.4.3 Caractéristiques de la gravure RIE
2.4.4 Présentation du réacteur ICP-RIE du LAAS
2.4.5 Défauts caractéristiques des profils de gravure
2.4.5.1 Les défauts à la surface de l’échantillon
2.4.5.2 Les défauts sur les flancs des tranchées
2.4.6 État de l’art sur la gravure du GaN
2.4.7 Résultats et interprétations
2.5 Conclusion  

3 Diélectriques de grille sur GaN : étude théorique  

3.1 Introduction  

3.2 État de l’art : structures MOS sur GaN  

3.2.1 Le dioxyde de silicium, SiO2
3.2.2 Le nitrure de silicium, Si3N4
3.2.3 SiO2/Ga2O3 et SiO2/Si3N4/SiO2
3.2.4 L’oxyde de gallium : Ga2O3
3.2.5 Autres isolants
3.2.6 État de l’art : structure MISFET sur GaN type N  

3.3 Procédés de réalisation de diélectriques de grille  

3.3.1 Préparation de surface
3.3.1.1 Nettoyage chimique
3.3.1.2 Oxydation thermique assistée UV
3.3.2 Dépôt du diélectrique de grille
3.3.2.1 Dépôt chimique en phase vapeur
3.3.2.2 Dépôt PECVD
3.3.2.3 Dépôt LPCVD (Low Pressure CVD)
3.3.2.4 Dépôt PECVD-ECR
3.3.2.5 Plasma pulsé : principes et intérêts  

3.4 Caractérisations électriques de la structure MOS 

3.4.1 Diagramme de bandes d’une structure MOS
3.4.2 Cas d’une structure MOS idéale
3.4.3 Cas d’une structure MOS réelle
3.4.3.1 Capacité MOS en accumulation
3.4.3.2 Capacité MOS en dépletion
3.4.3.3 Capacité MOS en dépletion profonde / inversion
3.4.3.4 Influence de la différence de travaux de sortie
3.4.3.5 Influence des charges distribuées dans l’oxyde
3.4.3.6 Influence des charges fixes
3.4.3.7 Influence des états d’interface
3.4.3.8 Influence des charges de polarisation
3.4.4 Admittance d’une capacité
3.4.4.1 Extraction des résistances série et parallèle
3.4.4.2 Extraction de la densité d’état d’interface Dit
3.5 Conclusion  

4 Caractérisations des diélectriques de grille sur GaN 113

4.1 Introduction 

4.2 Description des échantillons et de la structure MOS  

4.3 Caractérisation C(V) : SiO2 par PECVD 

4.4 Caractérisation C(V) : SiO2 par LPCVD  

4.4.1 Procédure de dépôt d’oxyde par LPCVD
4.4.2 Calcul du dopage à partir des mesures C(V)
4.4.3 Extraction des paramètres des capacités
4.4.4 Cas du substrat de type P en régime d’inversion
4.4.5 Cas d’un dépôt LPCVD avec une montée en température sous N2O  

4.5 Caractéristique C(V) : SiO2 par PECVD-ECR 

4.5.1 Analyses XPS des surfaces de GaN
4.5.2 Analyses des images par microscopie électronique en transmission à haute résolution (HRTEM)
4.5.3 Analyses et caractérisations électriques
4.5.3.1 Mesures C(V) de l’échantillon de type N
4.5.3.2 Mesures C(V) de l’échantillon NID
4.5.3.3 Mesures C(V) de l’échantillon de type P
4.5.3.4 Mesures C(V) en fonction de la fréquence
4.5.3.5 Densité d’état d’interface du type N et NID
4.5.4 Étude cinétique de la surface de GaN par XPS
4.5.4.1 Comparaison des types N et P sans traitement
4.5.4.2 Comparaison des types N et P après traitement par oxydation UV
4.5.4.3 Comparaison des types N et P après traitement par oxydation et nitruration ECR 

4.6 Caractérisation C(V) : SiO2 par PECVD continu et pulsé 

4.6.1 Mesures C(V) : échantillon de type N (PTC489)
4.6.2 Mesures C(V) : échantillon de type P (N1482)
4.6.3 Mesures C(V) : échantillon de type N sur substrat Si (PTC498)
4.7 Conclusion
Conclusion générale et perspectives
Bibliographie
Listes des publications  



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Ditulis oleh: younes younes - mardi 30 octobre 2012

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