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Communiqué de Presse : Transistor MOSFET à déplétion profonde pour l’électronique de puissance

par Agnès Gaunie Picart - publié le

L’article « deep depletion concept for diamond MOSFET » a été mis en avant par l’American Institute of Physics sur la recommandation de l’éditeur des Applied Physics Letters et a fait l’objet d’un communiqué de presse à large spectre.

Le Silicium est le matériau utilisé depuis plusieurs décennies en électronique de puissance pour les composants actifs tels que les diodes et les transistors MOSFET et IGBT. L’arrivée des matériaux à large bande interdite (« grands gaps ») tels que le Carbure de Silicium (SiC) ou le Nitrure de Gallium (GaN) a déjà permis d’améliorer les performances de ces composants actifs de puissance. Ainsi, les convertisseurs statiques utilisant ces nouveaux composants ont démontré des gains significatifs à la fois en efficacité énergétique et en densité de puissance, avec ainsi des gains de poids et de volume.
Parmi les matériaux à large bande interdite, le Diamant monocristallin a les meilleures propriétés thermiques et électriques. Ainsi, les composants actifs en Diamant pour l’électronique de puissance doivent permettre d’améliorer les pertes dissipées dans ces composants, d’augmenter la tenue en tension, de fonctionner à plus haute température de jonction ainsi qu’offrir des performances thermiques exceptionnelles, permettant alors de réduire le volume des éléments nécessaires au refroidissement. Cependant, de nombreuses difficultés physiques et technologiques limitent les possibilités de conception et de réalisation de transistors pour l’électronique de puissance en Diamant.

Dans cet article, nous démontrons de façon expérimentale l’utilisation de la déplétion profonde dans le Diamant via une grille isolée, en vue de réaliser des transistors MOSFET en Diamant monocristallin. Ce régime de polarisation ne peut être obtenu de façon stable dans le Silicium, où l’apparition du régime d’inversion empêche alors d’obtenir d’un état bloqué sur une durée entre la microseconde et la seconde (selon la température). Grâce à un matériau à large bande interdite tel que le diamant, le régime de déplétion profonde conduit à un état bloqué stable pouvant durer plusieurs centaines d’années même à haute température. Le contrôle de cette déplétion profonde par la grille isolée permet de supprimer la zone de déplétion dans le Diamant et d’obtenir alors l’état passant du transistor.

Un des avantages de ce type de transistor est de pouvoir utiliser le diamant au meilleur de ses propriétés physiques, c’est-à-dire tirer parti de la mobilité élevée des porteurs à l’état passant dans le Diamant massif et du fort champ électrique à l’état bloqué. La maîtrise de l’interface Metal-Oxyde-Diamant permet aussi de limiter les courants de fuite dans la grille de ce transistor. Cette structure de transistor MOSFET offre aussi des degrés de liberté pour le contrôle de la tension de seuil du transistor.

Au-delà du concept, de nombreuses difficultés existent pour l’obtention d’un tel transistor en Diamant. Les difficultés résident par exemple dans la croissance sans défaut et au dopage maîtrisé du diamant monocristallin (ici au Bore), le contrôle de l’interface entre le diamant et l’oxyde déposé, servant au contrôle électrostatique de la déplétion profonde dans le diamant, et plus généralement la mise au point des étapes technologiques et la structure du composant.

Ce travail est le fruit d’une collaboration entre l’Institut Néel (CNRS, Univ. Grenoble Alpes), le G2Elab (CNRS, Univ. Grenoble Alpes), le laboratoire Laplace (CNRS, Université de Toulouse), l’université de Cambridge et l’université de Tsukuba. Les partenaires ont collégialement établi le concept et son application au diamant, l’Institut Néel a réalisé la croissance du diamant et la fabrication des transistors, le laboratoire Laplace a participé au dimensionnement des transistors et au dessin des masques. Les partenaires ont travaillé ensemble pour la caractérisation et l’analyse des prototypes. Un brevet européen commun a été déposé en Juillet 2017, et s’appuiera sur le projet Linksium/Diamfab actuellement en incubation à Grenoble (http://diamfab.eu/).
Les premiers résultats démontrent un transistor MOSFET à déplétion profonde capable de supporter une tension de 200 V à l’état bloqué, tout en ayant une mobilité de porteurs à l’état passant parmi les plus élevées reportées à ce jour dans les transistors en diamant.
De nombreuses perspectives sont offertes par cette première preuve de concept, dans le but de proposer des transistors MOSFET performants pour l’électronique de puissance, compatibles avec des applications haute tension et haute température.

Les auteurs présenteront les performances d’un premier transistor MOSFET basé sur ce principe lors de la conférence internationale IEEE IEDM 2017 à San Francisco en décembre 2017. Deux présentations orales invitées auront lieues lors des conférences internationales MRS Fall Meeting 2017 en Novembre 2017 à Boston et SBDD Hasselt Diamond workshop en Mars 2018 à Hasselt.

Contacts :
Nicolas ROUGER, LAPLACE, CNRS
Julien PERNOT, Institut Néel, Univ. Grenoble Alpes