Kyoto University (京都大学) / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第17581号 / 工博第3740号 / 新制||工||1570(附属図書館) / 30347 / 京都大学大学院工学研究科電子工学専攻 / (主査)教授 木本 恒暢, 教授 藤田 静雄, 准教授 浅野 卓 / 学位規則第4条第1項該当

La thèse intitulée "Conception, caractérisation et optimisation d’un transistor à effet de champ haute tension en Carbure de Silicium (SiC) et de leur diode associée", s’est déroulée au sein du laboratoire AMPERE sous la direction du Prof. D. PLANSON. Des premiers démonstrateurs de JFET ont été réalisés. Le blocage du JFET n'est pas efficace, ceci étant lié aux difficultés de réalisation technologique. Le premier travail a consisté en leur caractérisation précise puis en leur simulation, en tenant compte des erreurs de processus de fabrication. Ensuite, un nouveau masque a été dessiné en tenant en compte des problèmes technologiques identifiés. Les performances électriques de la nouvelle génération du composant ont ainsi démontré une amélioration importante au niveau de la tenue en tension. Dans le même temps, de nouveaux problèmes se sont révélés, qu’il sera nécessaire de résoudre dans le cadre de travaux futurs. Par ailleurs, les aspects de tenue en court-circuit des JFETs en SiC commercialement disponibles ont été étudiés finement. Les simulations électrothermiques par TCAD ont révélé les modes de défaillances. Ceci a permis d'établir finalement des modèles physiques valables pour les JFETs en SiC. / Silicon carbide (SiC) has higher critical electric field for breakdown and lower intrinsic carrier concentration than silicon, which are very attractive for high power and high temperature power electric applications. In this thesis, a new 3.3kV/20A SiC-4H JFET is designed and fabricated for motor drive (330kW). This breakdown voltage is beyond the state of art of the commercial unipolar SiC devices. The first characterization shows that the breakdown voltage is lower (2.5kV) than its theoretical value. Also the on-state resistance is more important than expected. By means of finite element simulation the origins of the failure are identified and then verified by optical analysis. Hence, a new layout is designed followed by a new generation of SiC-4H JFET is fabricated. Test results show the 3.3kV JFET is developed successfully. Meanwhile, the electro-thermal mechanism in the SiC JFETs under short circuit is studied by means of TCAD simulation. The commercial 1200V SIT (USCi) and LV-JFET (Infineon) are used as sample. A hotspot inside the structures is observed. And the impact the bulk thickness and the canal doping on the short circuit capability of the devices are shown. The physical models validated by this study will be used on our 3.3kV once it is packaged.

This dissertation aims at designing a three-phase voltage source inverter based on the SiC devices and mainly the SiC-MOSFET. The designed inverter offers a possibility to drive the power inverter with a very high efficiency, which can reach up to 99% for 16 kW rated power. The design is dedicated to the electric vehicle application, and it aims at • Providing a comparative study on some of the current discrete SiC devices in terms of the total losses and the thermal conductivity. In addition, a behavioral study of the effective channel mobility with temperature variation in the SiC MOSFET will be investigated. • Designing a gate driver which fits with the driving requirements of the SiC-MOSFET and provides a trade-off between the switching losses and the EMI behavior. • Designing a three-phase voltage source inverter with 16 kW rated power; the design includes minimizing the inverter losses and extracts the EMI model of the power inverter by considering the effects of the parasitic parameters; moreover a short guideline for selecting the heat-sink based on the static network is introduced. • Proposing a new and simplified carried-based PWM, this will reduce the harmonics in the output waveforms and enhance the utilization of the DC-link voltage. • Proposing a new strategy for compensating the dead-time effect in carrier based-PWM and to find out the proper dead-time level in VSI based on SiC –MOSFET. • Designing faults diagnosis and protection circuits in order to protect the power inverter from the common faults; overcurrent, short-circuit, overvoltage, and overtemperature faults.

Des travaux expérimentaux et théoriques ont été menés afin d’enrichir la connaissance et la compréhension du comportement en corrosion du carbure de silicium en présence de mélanges gazeux complexes à très hautes températures. A cette fin ont été mis au point deux nouvelles méthodes expérimentales basées sur le chauffage par effet Joule pour le suivi in-situ des cinétiques d’oxydation, ainsi qu’un modèle intégrant thermodynamique hétérogène et phénomènes de transport en phase gazeuse. Dans le domaine des hautes températures et des basses pressions partielles en espèces oxydantes, l’oxydation de SiC est dite « active » et se traduit par la formation de produits gazeux et la dégradation rapide du matériau associée à une cinétique limitée par le transport des espèces en phase gazeuse. Dans le domaine des basses températures et des hautes pressions partielles en espèces oxydantes, l’oxydation est dite « passive » et se traduit par la croissance d’une couche d’oxyde condensé SiO2 qui agit comme une barrière de diffusion vis-à-vis des espèces oxydantes, et dont la croissance fait intervenir une variété de phénomènes physico-chimiques qu’il a été nécessaire de découpler.Une attention particulière a été portée à l’étude de la transition entre les domaines de conditions correspondant à chacun de ces modes d’oxydation dans des mélanges simples et dans des mélanges complexes comportant deux espèces oxydantes différentes. Une analyse précise de plusieurs modèles de description théorique de cette transition active/passive a pu être réalisée en s’appuyant sur les nouveaux moyens numériques ainsi que sur les nouveaux éclairages relatifs aux mécanismes d’oxydation active et passive issus de cette étude et de la littérature. / Experimental and theoretical studies have been carried out in order to obtain further knowledge and understanding of the corrosion behavior of silicon carbide under complex gas mixtures at very high temperatures. To that purpose, two original experimental methods based on Joule-heating have been designed for the in-situ following of SiC oxidation kinetics, and a model accounting for both heterogeneous kinetics and gas-phase transport phenomena has been developed thanks to a finite volume method. At high temperatures and low oxidant partial pressure, oxidation of SiC is « active » and associated with the formation of gaseous products and high degradation rates of the original materials, the reaction being rate-determined by species transport through a gaseous boundary layer. At low temperatures and high oxidant partial pressures, oxidation is « passive » and associated with the growth of a condensed oxide scale acting as a protecting diffusion barrier. An analytical study has been conducted in order to try and isolate the effects of the various physical and chemical phenomena involved during this passive oxidation, such as different growth mechanisms, volatilization or bubble formation, and quantify how temperature and gas composition influence them.An experimental study of the active/passive transition in the oxidation of SiC has been conducted under gas mixtures including one or two different oxidant species. Numerical simulation tools as well as new insights on oxidation mechanisms were used to analyze different predictive models of the active/passive transition and evaluate and understand the differences between these theoretical results and the ones obtained experimentally.

Le SiC est un matériau semi-conducteur à large bande d'énergie interdite dont les très bonnes caractéristiques électriques et thermiques en font un candidat idéal pour la fabrication de composants dans le domaine de la puissance et des détecteurs de rayonnement. En particulier, la réalisation de détecteurs UV est très attendue dans les domaines suivants : détection d'incendies, imagerie de surface, astronomie, médecine, militaire… Les photodétecteurs à base de semiconducteurs à large bande interdite permettent d'obtenir une très bonne sélectivité dans l'UV, sans avoir à utiliser de filtres optiques. Le SiC semble être le matériau le plus prometteur, grâce à sa bonne stabilité chimique, mécanique et thermique, ce qui représente un avantage pour opérer en environnement extrême. Cependant le dopage du SiC nécessite un savoir-faire très particulier (implantation à chaud, recuit à haute température, forte dynamique de chauffe…). Nous nous sommes proposés dans un premier temps de réaliser par implantation (ionique et plasma) des composants tests, permettant d'accéder aux caractéristiques des jonctions. Le cas des jonctions implantées n+p et p+n a été étudié. Après l'optimisation des paramètres technologiques de l'implantation et du recuit associé, la fabrication de détecteurs de rayonnement basés sur la diode Schottky ou la diode p.n a été mise en œuvre. Une étape de simulation de ces composants a été effectuée sur le logiciel Sentaurus Device (Synopsys). Les caractérisations de ces détecteurs ont montré une meilleure sensibilité pour les diodes implantées Bore par plasma. / Silicon carbide is a wide band-gap semiconductor with electrical and thermal characteristics particularly suitable for high power devices and radiation sensors. The realisation of UV detectors is mainly useful in the following sectors: fire detection, surface imagery, astronomy, medicine, military... The photodetectors based on wide band-gap semiconductors allow to get a very good selectivity, without using optical filters. Silicon carbide seems to be the most promising material, due to its chemical, mechanical and thermal stability, inducing a reliable behaviour in extreme environment. However SiC doping requires a distinct know-how (hot ion implantation, high temperature annealing, rapid heating-rate…). Test devices have been firstly processed by using ion implantation and plasma, allowing evaluating p+n or n+p junction characteristics. After the optimisation of the technological parameters of implantation and related annealing, the realisation of radiation detectors based on Schottky or p.n diodes has been carried out. The electrical simulations of such devices were performed with Sentaurus Devices program (Synopsys). The characteristics of the devices proved an improvement with the Boron-plasma implantation.

Les composites à matrice céramique, constitués à la fois d’une matrice et d’un renfort fibreux en carbure de silicium, ont été choisi pour le développement des réacteurs d’avion. Bien que de nombreux travaux se soient intéressés à la synthèse de la matrice ou de l’interphase, peu ont traité directement du renfort, élément clé dans le comportement des composites, dans de telles conditions d’application. Ce mémoire porte donc sur ces matériaux appartenant à la première génération (contenant une grande proportion d’oxygène) et se scinde en deux parties. Tout d’abord, la réactivité chimique des fibres vis-à-vis de l’air, de la vapeur d’acide phosphorique ou du dichlore est étudiée via l’énergie d’activation apparente de l’attaque, et des corrélations avec les propriétés physicochimiques ou microstructurales des fibres en sont tirées. Ces résultats montrent l’influence notable qu’ont des éléments métalliques (titane, zirconium), pourtant présents en faibles quantités (<1% at.) Ensuite, la rupture prématurée de fils Si-C-O est étudiée et prédite aux températures intermédiaires (400-900°C). Ces résultats, une fois corrélés aux propriétés des fibres et à leur réactivité chimique, permettent de proposer deux mécanismes d’endommagement pouvant entrainer la rupture des fils selon les conditions d’essais : la fissuration sous-critique ou l’oxydation sans contrainte. Pour pallier l’instabilité de certaine de ces fibres un traitement de phosphatation, précédé ou non d’une chloration, transforme la surface en une barrière environnementale multicouche, sans dégradation des propriétés mécaniques, ce qui a pour effet de ralentir le mécanisme d’endommagement induit par l’oxydation et se répercute par une nette augmentation de leur durée de vie. / Ceramic Matrix Composites (CMC) are technical materials, made of a matrix reinforced by continuous fibers, considered for civil aircraft jet engine. Although the matrix and the interphase were extensively studied in past decades, reinforcement did not gain much attention however it pilots the ultimate failure of the composite. This work is dedicated to the first generation SiC fibers containing a large amount of oxygen and is divided in two parts. Firstly, chemical reactivity of Si-C-O fibers is studied against chloride, oxidant of phosphating gases. Apparent activation energies appear as an intrinsic property and are correlated with physicochemical or microstructural properties. Among observations, we show that the nature of the metallic element, such as titanium or zirconium, greatly influence the chemical stability of the fibers, however their proportion is low (1at. %). Thereafter, delayed failure of Si-C-O tows has been studied in order to predict it at intermediate temperatures (400-900°C). A statistical approach of tows’ lifetime allows us to define the survival probability at given condition, key point for the composite certification. Results were correlated to fibers properties and their chemical reactivity suggesting two damaging phenomena leading to the tows failure: slow crack growth or static oxidation. To overcome the instability of some fibers (doped with titanium), phosphating treatment was used to transform the surface of each fiber in multilayer silicophosphate coating acting as an environmental barrier. Obviously, mechanical properties of the fibers core were not affected by this etching reaction. A clear oxidation resistance and lifetime enhancement of the tows was reached by this route.

Le carbure de silicium est un matériau semi-conducteur à grande bande d’énergie interdite possédant des propriétés exceptionnelles en termes de tenue en température, de résistance aux radiations, de stabilité chimique. En particulier il pourrait permettre la réalisation de détecteurs ultra-violet fonctionnant en environnement extrême (fortes températures et niveaux de radiations élevés) tels les environnements spatiaux. Le polytype 3C, avec un gap intermédiaire pourrait également être utilisé dans le domaine photovoltaïque. Le présent travail propose d’étudier le carbure de silicium à la fois sous l’aspect composant et sous l’aspect matériau. Une étude de la réponse spectrale de photodiodes UV (de type pn et Schottky) en fonction de la température et de l’irradiation est présentée. Un nouveau type de cellules solaires à hétérojonctions 3C-SiC/Si est étudié. Enfin, un système de mesure de la durée de vie des porteurs minoritaires dans le SiC-4H est réalisé et les résultats commentés. / Silicon carbide is a large bandgap semiconductor presenting outstanding properties in terms of temperature, radiations and chemical hardness. In particular it could allow the fabrication of ultra-violet detectors, able to work in harsh environments such as for space aplications. The 3C polytype , with it’s intermediate bandgap, could also be used in the photovoltaic field. The present work aims to study both the material and the application aspects of silicon carbide. A study of the spectral response of both pn and Schottky photodiodes with respect to the temperature and irradiation is presented. A new type of 3C-SiC/Si heterojunction solar cell is studied. Finally, a minority carrier lifetime measurement system is realised ant the results presented.

A presente dissertação tem como tema central a onerosidade excessiva na revisão e extinção dos contratos no direito civil brasileiro. Ela aborda as hipóteses de rompimento do princípio do equilíbrio econômico contratual na fase de execução dos contratos em virtude da superveniência de fatos extraordinários e imprevisíveis que interrompem sua originária relação de equivalência. O presente estudo divide-se em seis grandes partes. Em primeiro lugar, fazem-se necessárias uma introdução e uma descrição da problemática relacionada ao tema. Em seguida, apresenta-se a origem histórica da revisão e da extinção contratual a partir do exame da cláusula rebus sic stantibus. Feito isso, são relatadas as teorias que as fundamentam pela doutrina e pela jurisprudência antes do advento do texto legal expresso que trata da matéria. Concluída essa fase histórica, analisa-se o direito positivo brasileiro vigente, primeiramente, por questões cronológicas, a revisão por onerosidade excessiva no Código de Defesa do Consumidor. Posteriormente, as disposições legais inseridas no Código Civil que possibilitam a revisão e resolução dos contratos por onerosidade excessiva, com uma análise dogmática dos pressupostos positivos e negativos necessários à aplicação dos arts. 317 e 478 do Código Civil. Em seguida, o estudo procura analisar algumas questões pontuais relacionadas à aplicação dos dois artigos, tais como: (i) quem tem legitimidade e interesse para requerer a revisão e resolução dos contratos, de acordo com os arts. 317 e 478 do Código Civil, respectivamente; (ii) qual é o papel do juiz na revisão e resolução dos contratos, de acordo com os arts. 317 e 478 do Código Civil, respectivamente; e (iii) se há concorrência na aplicação desses artigos ou deve ser observado um procedimento sequencial em atenção ao princípio da preservação dos contratos. Finalmente, o trabalho apresenta breve síntese e conclusões. / This dissertation brings at its core the topic of excessive burden on the revision and termination of contracts pursuant to Brazilian Civil Law. Accordingly, this study discusses the hypothesis of breaking the principle of contractual economic balance in the execution phase of contracts, due to the supervenience of extraordinary and unpredictable facts, which interrupts its original equivalence relation. The current study is divided into six major parts. It is necessary at first to consider the introduction and delimitation of the core subject. Ensuingly, the historical origin regarding the revision and termination of contracts is presented, pursuant to the contemplation of the rebus sic stantibus clause. Subsequently, the theories used as grounds are laid down, through Brazilian doctrine and case law, prior to the upcoming of the express legal text dealing with the subject. Upon the conclusion of the historical phase, the Civil Code the current ruling positive law is analyzed, as to explain the concept of excessive burden present in the Consumer Code. Sequentially, the legal dispositions inserted in the Civil Code, which enable the revision and resolution of contracts through excessive burden, bearing a dogmatic analysis of the positive and negative assumptions necessary to the application of articles 317 and 478 of the Civil Code. Certain correlated topics are then also dealt with, complementing the understanding and analysis of the aforementioned articles of the Civil Code, such as: (i) who possesses the legitimacy and interest in requesting the revision and resolution of contracts, pursuant to articles 317 and 478 of the Civil Code, respectively; (ii) what exactly is the role of the judge in the revision and resolution of contracts, according to articles 317 and 478 of the Civil Code, respectively; and (iii) whether said articles in anyway clash in their application or if a sequential procedure directed at the preservation of contracts must be observed. Finally, the study presents a brief summary and conclusions.

In dieser Arbeit wird das direkte Wachstum von Graphen auf isolierenden Substraten untersucht. Die hergestellten Schichten werden mittels verschiedener Methoden untersucht, unter anderem Rasterkraftmikroskopie, Ramanspektroskopie und Synchrotron-Röontgendiffraktometrie. Zwei verschiedene Synthetisierungsmethoden kommen hierbei zur Anwendung. Zuerst wird das Wachstum von epitaktischem Graphen mittels thermischer Zersetzung von hexagonalen Siliciumcarbid-Oberflächen vorgestellt. Ein Fokus der Untersuchungen liegt hierbei auf den Stufen, welche auf der Substratoberfläche vorhanden sind. Wir zeigen, dass die initiale Oberflächenkonfiguration keinen unmittelbaren Einfluss auf den Wachstumsprozess und die entstehenden Graphenschichten besitzt. Die Stufen beeinflussen jedoch die elektrischen Transporteigenschaften im Quanten-Hall-Regime. Dieses Phänomen wird genauer untersucht und durch ein schematisches Modell erklärt. Die Struktur der epitaktischen Graphenschichten wird analysiert, inklusive präzieser Messungen der Gitterkonstanten. Anschließend werden Untersuchungen über das Wachstum von EG auf Kohlenstoff-terminierten SiC-Oberflächen vorgestellt und diskutiert. Als zweite Herstellungsmethode wird Molekularstrahlepitaxie verwendet. Wir demonstrieren Wachstum von Graphen auf zwei verschiedenen Substraten. Die Abhängigkeit der Morphologie und der strukturellen Qualität der Proben von den Wachstumsbedingungen wird untersucht. Wir zeigen, dass die Graphenschichten aus nanokristallinen Domänen bestehen, deren laterale Abmessungen 30 nm überschreiten. Die strukturelle Qualität der Graphenschichten nimmt mit zunehmender Substrattemperatur zu. Schließlich wird gezeigt, dass die Graphendomänen eine epitaktische Beziehung zu ihrem jeweiligen Substrat besitzen und dass eine beobachtete Reduzierung der Gitterparameter durch die Existenz von Punktdefekten zu erklären ist. / This thesis presents an investigation of graphene growth directly on insulating substrates. The graphene films are characterized using different techniques, including atomic force microscopy, Raman spectroscopy, and grazing-incidence X-ray diffraction. These allowed insight into the morphological, structural, and electrical properties of the graphene layers. Two different preparation methods were employed. The growth of epitaxial graphene on SiC(0001) by surface Si depletion is presented first. An important parameter in this type of growth is the surface steps present on the SiC substrate. We show that the initial SiC surface step configuration has little influence on the growth process, and the resulting graphene layers. The surface steps do impact the magneto-transport properties of graphene on SiC, which is investigated closely and can be explained by a schematic model. The structure of the epitaxial graphene layers is also analyzed, including precise measurements of the lattice constants. Additionally, the growth of graphene on the C-face of SiC is investigated. Graphene films were also synthesized directly on insulating substrates using molecular beam epitaxy. With the accurate deposition rates and sub-monolayer thickness control, MBE allows for fundamental studies of the growth process. We demonstrate graphene growth on two different substrates. The dependence of the morphology and structural quality of the graphene samples on the growth parameters is evaluated and discussed. We find that graphene films grown by MBE consist of nanocrystalline graphene domains with lateral dimensions exceeding 30 nm. The structural quality of the graphene layers improves with increasing substrate temperature during growth. Finally, we show that the nanocrystalline domains of the graphene films possess an epitaxial relation to either substrate, and attribute an observed contraction of the graphene lattice constant to the presence of point-defects within the film.

Les communications sans fils sont devenues un outil fondamental pour les sociétés modernes. Les réseaux cellulaires sont le moyen préféré pour l’accès à Internet. L’augmentation de la capacité du réseau est étroitement liée au problème des interférences. Les réseaux coopératifs ont été largement étudiés dans les années récentes. Cette thèse porte sur deux techniques de coopération dans la voie descendante :La première partie étudie les effets de quantification et délais sur les informations de retour nécessaires pour la mise en opération des différentes techniques d’émission coordonnée, connues sous le nom de CoMP (Coordinated Multipoint Transmission). Cette technique qui promet des augmentations importantes sur la capacité du réseau en conditions idéales, or ses vrais résultats sous le feedback limité doivent être encore décrits de manière analytique. En particulier, pour les modes d’émission connus comme JT (Joint Transmission) et CBF (Coordinated Beamforming), des expressions analytiques ont été déduites pour calculer la capacité du réseau et la probabilité de succès de transmission.Finalement une nouvelle technique de coopération de réseau pour les récepteurs avancés du type SIC (Successive Interference Cancellation) est présentée. La condition mathématique qui garantit des gains de capacité grâce à l’utilisation des récepteurs SIC est obtenue. Pour en profiter, une méthode de coopération est nécessaire pour assurer une adaptation de lien adéquate pour que l’interférence soit décodable et le débit somme soit supérieur à celui atteint avec des récepteurs traditionnels. Cette technique montre des gains importants de capacité pour des utilisateurs en bordure de cellule. / Wireless communications have become a fundamental feature of any modern society. In particular, cellular networks are essential for societal welfare but the increasing demand for data traffic set enormous scientific challenges. Increasing the network capacity is closely related to the problem of interference mitigation. In this regard, network cooperation has been studied in recent years and several different techniques have been proposed. In the first part, different transmission techniques commonly referred to as Coordinated Multi-Point Transmission (CoMP), are studied under the effect of feedback quantization and delay, unequal pathloss and other-cell interference (OCI). An analytical framework is provided, which yields closed-form expressions to calculate the ergodic throughput and outage probabilities of Coordinated Beamforming (CBF) and Joint Transmission (JT). The results indicate the optimal configuration for a system using CoMP and provide guidelines and answers to key questions, such as how many transmitters to coordinate, how many antennas to use, how many users to serve, which SNR regime is more convenient, whether to apply CBF or prefer a more complex JT, etc. Second, a new coordination technique at the receiver side is proposed to obtain sum-rate gains by means of Successive Interference Cancellation (SIC). The conditions that guarantee network capacity gains by means of SIC at the receiver are provided. To take advantage of these conditions, network coordination is needed to adapt the rates to be properly decoded at the different users involved. This technique is named Cooperative SIC and is shown to provide significant throughput gains for cell-edge users.