La soutenance de thèse de Damien MICHEZ intitulée : « Fabrication et caractérisation de transistor à effet de champ en diamant en vue de l’augmentation du calibre en courant et de la tenue en tension » aura lieu mercredi 21 mai 9h45 dans l’institut Néel, (Grenoble, polygone scientifique CNRS), suivie d’un pot dans la salle de détente du bâtiment D.
Ces travaux sont encadrés par Juliette Letellier de la startup DIAMFAB et Nicolas Rouger du laboratoire Laplace / groupe CS.
Pour celles et ceux qui voudraient y assister et qui ne pourraient pas être présents, voici un lien teams:
Le jury sera composé de :
M. Nicolas ROUGER – Directeur de thèse
Mme Juliette Letellier – Co-encadrante
M. Farid MEDJDOUB – Rapporteur
M. Jocelyn ACHARD – Rapporteur
M. Dominique PLANSON – Examinateur
Mme Marie-Laure LOCATELLI – Examinatrice
Mme Marie-Laure GALLIN-MARTEL – Examinatrice
M. David EON – Examinateur
M. Farid MEDJDOUB – Rapporteur
M. Jocelyn ACHARD – Rapporteur
M. Dominique PLANSON – Examinateur
Mme Marie-Laure LOCATELLI – Examinatrice
Mme Marie-Laure GALLIN-MARTEL – Examinatrice
M. David EON – Examinateur
Résumé de la thèse :
Pour favoriser une gestion énergétique durable, il est crucial de développer des convertisseurs de puissance de plus en plus efficaces. Les transistors en nitrure de gallium (GaN) et carbure de silicium (SiC) ont déjà amélioré les performances par rapport au silicium (Si). Cependant, les matériaux à ultra-grand gap, comme le diamant, offrent des avantages supplémentaires, notamment en réduisant les pertes et en facilitant le refroidissement. Parmi les composants en diamant, les transistors à effet de champ à grille isolée (MOSFET) terminé hydrogène (H-MOSFET) utilisant un gaz 2D de trous (2DHG) comme canal de conduction ont montré de bonnes performances, mais leur stabilité thermique reste un défi.
Le D3MOSFET, un transistor MOS en diamant à déplétion profonde avec conduction volumique, a été étudié ici. Ce transistor latéral et unipolaire a montré des caractéristiques intéressantes par le passé, avec une tension de claquage de 175 V, une résistance spécifique de 50 mΩ.cm et un courant de 1,7 mA. Deux objectifs ont été poursuivis dans ce travail : intégrer une structure interdigitée pour augmenter la capacité en courant des transistors à effet de champ latéraux et ajouter une électrode de champ de type « source field plate » pour améliorer les performances à l’état bloqué du D3MOSFET.
Un total de 24 échantillons ont été fabriqués pour explorer ces configurations. La structure interdigitée a été testée sur six transistors FET à jonction (JFETs) avec 24 doigts, chacun étant caractérisé indépendamment, avec un ratio de 83 % de composants fonctionnels et une dispersion du courant inférieure à 30 %. Lorsque ces doigts fonctionnels ont été parallélisés, le meilleur a présenté une largeur de grille de 15,1 mm, une tension de seuil d’environ 50 V et un courant de 55 mA à 450 K (VDS = -15 V, VGS = -10 V), un record pour un transistor en diamant à conduction volumique.
La structure interdigitée a ensuite été testée sur des D3MOSFETs, qui sont plus complexes à fabriquer. Le ratio de doigts fonctionnels était de 75 %, avec une dispersion du courant inférieure à 20 %. Un doigt a montré un courant de 2,5 mA (à 450 K, VDS = -15 V, VGS = -10 V), et en parallélisant 24 doigts dans des recherches futures, un courant de 60 mA pourrait être atteint. La tension de claquage a été mesurée à 350 V à 300 K, soit le double de la valeur précédemment rapportée, avec un courant plus élevé. Cette amélioration résulte en partie de l’ajout d’une couche de passivation en Si3N4.
Enfin, une électrode de champ a été ajoutée au design d’un D3MOSFET élémentaire. Composée d’une couche diélectrique en Si3N4 et d’un contact de source reporté au-dessus de la grille, cette électrode redistribue le champ électrique dans le transistor, réduisant les effets du champ 2D et augmentant la tension de claquage. Les transistors avec électrode ont montré un courant faible (≈10^-5 A) en raison de différences entre les propriétés attendues et réelles du canal de conduction. Toutefois, un transistor sans électrode a atteint une tension de claquage supérieure à 1 kV, établissant un record pour le D3MOSFET. Les performances des transistors avec électrode étaient similaires à celles des composants sans électrode, bien que l’efficacité ait été probablement impactée par des écarts entre le design prévu et la fabrication. Néanmoins, l’ajout de l’électrode de champ a été réalisé avec succès sans nuire aux caractéristiques du transistor.
En conclusion, cette étude a permis de réaliser des avancées significatives dans le développement des transistors en diamant pour l’électronique de puissance. Les résultats obtenus ouvrent la voie à des améliorations futures pour exploiter pleinement le potentiel du diamant dans la gestion de l’énergie.
