Cette thèse se place dans le cadre du projet Diamonix, qui vise à établir une filière diamant en France. La thèse porte sur des travaux de dimensionnement de protection périphérique, structure nécessaire au bon fonctionnement des composants d’électronique de puissance. Le développement de protections périphériques applicables aux diodes Schottky sur diamant monocristallin nécessite plusieurs étapes. Après un premier chapitre détaillant l’état de l’art de l’utilisation de diamant en électronique de puissance, nous nous attardons sur la conception de protection périphérique basée sur une plaque de champ à l’aide de divers diélectriques et ensuite à l’aide d’un matériau semi-résistif dans le chapitre 2. Ces simulations sont réalisées à l’aide du logiciel SENTAURUS TCAD. Le troisième chapitre essaie de répondre aux problèmes technologiques posés par le chapitre 2. Nous avons ainsi développé une nouvelle technique de gravure basée sur une succession d’étapes utilisant Ar/O2 puis CF4/O2. Puis, dans un deuxième temps, nous avons réalisé des capacités Métal/Diélectrique/Diamant afin de qualifier le comportement des diélectriques sur le matériau diamant. Leur comportement est problématique mais il s’agit à notre connaissance de la première étude poussée de capacités sur diamant. Le chapitre 4 revient sur la fabrication et la caractérisation de diodes Schottky protégées à l’aide de plaques de champ sur divers diélectriques, les résultats obtenus étant mitigés. Enfin, la conclusion revient sur les résultats importants de simulation, de gravure, de caractérisation des capacités et des diodes Schottky pour ensuite s’élargir et donner des perspectives de travail. / This thesis work is part of the Diamonix project, which is about forming a France-based supply and fabrication of diamond electronics devices. Work in this thesis is centered upon designing a peripheral junction protection suitable for diamond Schottky diodes, a vital structure for the right behavior of power electronics components. Such design on monocristalline diamond substrates needs several steps. After a first chapter dealing with diamond state of the art in power electronics, emphasis is brought upon the design of a field plate protection using several dielectric materials and a semi-resistive component in the second chapter. Those simulations are carried out using SENTAURUS TCAD software suite. The third chapter tries to answer any technological difficulties met in the second chapter. For instance, a new etching technique based upon a succession of steps has beeen developped. Then, Metal/Dielectric/Diamond capacitors were made to determine the electrical behavior of those dielectrics on diamond. Their behavior is problematic but it is to our knowledge the first time such devices are characterized in such extent. The fourth chapter deals with the processing and characterizing of diamond Schottky diodes protected using field plates on several dielectrics, which measurements results are a bit disappointing. Finally, the conclusion insists on the main results of the thesis and then opens up to a discussion over the perspectives of future works around diamond.

Silicon carbide (SiC) has higher breakdown field strength than silicon (Si), which enables thinner and more highly doped drift layers compared to Si. Consequently, the power losses can be reduced compared to Si-based power conversion systems. Moreover, SiC allows the power conversion systems to operate at high temperatures up to 250 oC. With such expectations, SiC is considered as the material of choice for modern power semiconductor devices for high efficiencies, high temperatures, and high power densities. Besides the material benefits, the typeof the power device also plays an important role in determining the system performance. Compared to the SiC metal-oxide semiconductor field-effect transistor (MOSFET) and bipolar junction transistor (BJT), the SiC junction field-effect transistor (JFET) is a very promising power switch, being a voltage-controlled device without oxide reliability issues. Its channel iscontrolled by a p-n junction. However, the present JFETs are not optimized yet with regard to on-state resistance, controllability of threshold voltage, and Miller capacitance. In this thesis, the state-of-the-art SiC JFETs are introduced with buried-grid (BG) technology.The buried grid is formed in the channel through epitaxial growth and etching processes. Through simulation studies, the new concepts of normally-on and -off BG JFETs with 1200 V blocking capability are investigated in terms of static and dynamic characteristics. Additionally, two case studies are performed in order to evaluate total losses on the system level. These investigations can be provided to a power circuit designer for fully exploiting the benefit of power devices. Additionally, they can serve as accurate device models and guidelines considering the switching performance. The BG concept utilized for JFETs has been also used for further development of SiC junctionbarrier Schottky (JBS) diodes. Especially, this design concept gives a great impact on high temperature operation due to efficient shielding of the Schottky interface from high electric fields. By means of simulations, the device structures with implanted and epitaxial p-grid formations, respectively, are compared regarding threshold voltage, blocking voltage, and maximum electric field at the Schottky interface. The results show that the device with an epitaxial grid can be more efficient at high temperatures than that with an implanted grid. To realize this concept, the device with implanted grid was optimized using simulations, fabricated and verified through experiments. The BG JBS diode clearly shows that the leakage current is four orders of magnitude lower than that of a pure Schottky diode at an operation temperature of 175 oC and 2 to 3 orders of magnitude lower than that of commercial JBS diodes. Finally, commercialized vertical trench JFETs are evaluated both in simulations andexperiments, while it is important to determine the limits of the existing JFETs and study their performance in parallel operation. Especially, the influence of uncertain parameters of the devices and the circuit configuration on the switching performance are determined through simulations and experiments. / Kiselkarbid (SiC) har en högre genombrottsfältstyrka än kisel, vilket möjliggör tunnare och mer högdopade driftområden jämfört med kisel. Följaktligen kan förlusterna reduceras jämfört med kiselbaserade omvandlarsystem. Dessutom tillåter SiC drift vid temperatures upp till 250 oC. Dessa utsikter gör att SiC anses vara halvledarmaterialet för moderna effekthalvledarkomponenter för hög verkningsgrad, hög temperature och hög kompakthet. Förutom materialegenskaperna är också komponenttypen avgörande för att bestämma systemets prestanda. Jämfört med SiC MOSFETen och bipolärtransistorn i SiC är SiC JFETen en mycket lovande component, eftersom den är spänningsstyrd och saknar tillförlitlighetsproblem med oxidskikt. Dess kanal styrs an en PNövergång. Emellertid är dagens JFETar inte optimerade med hänseende till on-state resistans, styrbarhet av tröskelspänning och Miller-kapacitans. I denna avhandling introduceras state-of-the-art SiC JFETar med buried-grid (BG) teknologi. Denna åstadkommes genom epitaxi och etsningsprocesser. Medelst simulering undersöks nya concept för normally-on och normally-off BG JFETar med blockspänningen 1200 V. Såvä statiska som dynamiska egenskper undersöks. Dessutom görs två fallstudier vad avser totalförluster på systemnivå. Dessa undersökningar kan vara värdefulla för en konstruktör för att till fullo utnyttja fördelarna av komponenterna. Dessutom kan resultaten från undersökningarna användas som komponentmodeller och anvisningar vad gäller switch-egenskaper. BG konceptet som använts för JFETar har också använts för vidareutveckling av så kallade JBS-dioder. Speciellt ger denna konstruktion stora fördelar vid höga temperature genom en effektiv skärmning av Schottkyövergången mot höga elektriska fält. Genom simuleringar har komponentstrukturer med implanterade och epitaxiella grids jämförst med hänseende till tröskelspänning, genombrottspänning och maximalt elektriskt fält vid Schottky-övergången. Resultaten visar att den epitaxiella varianten kan vara mer effektiv än den implanterade vid höga temperaturer. För att realisera detta concept optimerades en komponent med implanterat grid med hjälp av simuleringar. Denna component tillverkades sedan och verifierades genom experiment. BG JBS-dioden visar tydligt att läckströmmen är fyra storleksordningar lägre än för en ren Schottky-diod vid 175 oC, och två till tre storleksordningar lägre än för kommersiella JBS-dioder. Slutligen utvärderas kommersiella vertical trench-JFETar bade genom simuleringar och experiment, eftersom det är viktigt att bestämma gränserna för existerande JFETar och studera parallelkoppling. Speciellt studeras inverkan av obestämda parametrar och kretsens konfigurering på switchegenskaperna. Arbetet utförs bade genom simuleringar och experiment. / <p>QC 20150915</p>

[Truncated abstract] Over the past decade, the group III-nitride semiconducting compounds (GaN, AlN, InN, and their alloys) have attracted tremendous research efforts due to their unique electronic and optical properties. Their low thermal carrier generation rates and large breakdown fields make them attractive for the development of robust electronic devices capable of reliable operation in extreme conditions, i.e. at high power/voltage levels, high temperatures and in radiation environments. For device applications in radiation environments, such as space electronics, GaN-based devices are expected to manifest superior radiation hardness and reliability without the need for cumber- some and expensive cooling systems and/or radiation shielding. The principle aim of this Thesis is to ascertain the level of susceptibility of current GaN-based elec- tron devices to radiation-induced degradation, by undertaking a detailed study of 60Co gamma-irradiation-induced defects and defect-related effects on the electrical characteristics of n-type GaN-based materials and devices . . . While the irradiation-induced effects on device threshold voltage could be regarded as relatively benign (taking into account that the irradiation levels employed in this study are equivalent to more than 60 years exposure at the average ionising dose rate levels present in space missions), the observed device instabilities and the degradation of gate current characteristics are deleterious effects which will have a significant impact on the performance of AlGaN/GaN HEMTs operating in radiation environments at low temperatures, a combination of conditions which are found in spaceborne electronic systems.

In this document, we present ou study about the conception and realization of VMOS and Schottky and JBS Diodes on Silicon Carbide. This work allowed us optimize and fabricate diodes using Tungsten as Schottky barrier on both Schottky and JBS diodes of different blocking capability between 1.2kV and 9kV. Moreover, our study of the VMOS, by considering the overall fabrication process, has permitted to identify the totality of the problems we are facing. Thusly we could ameliorate the devices and try new designs as the VIEMOS or the monolithic integration of temperature and current sensors.

Le carbure de silicium (SiC) possède plusieurs propriétés exceptionnelles comme une large bande interdite, un champ électrique critique et une vitesse de saturation des porteurs élevée pour remplacer le silicium (Si) dans des domaines de fonctionnement jusque-là inaccessibles avec le Si. Un nombre important de démonstrateurs des composants de puissance en SiC faisant état de performances remarquables ainsi que la disponibilité commerciale des composants en SiC confirment la maturité de la filière SiC et montrent les progrès technologiques réalisés au cours des dernières années. Cependant, il existe peu d’études sur les coefficients d’ionisation du SiC, lesquels sont pourtant indispensables pour prévoir précisément la tenue en tension des composants de puissance en SiC. Ce travail contribue donc à mieux déterminer ces coefficients. Pour cela, un bon nombre de diodes spécialement conçues pour la détermination des coefficients d’ionisation du SiC par la technique OBIC (Optical Beam Induced Current) ont été réalisées sur différents wafers de SiC-4H et de SiC-6H, deux polytypes courant du SiC. Cette technique repose sur un faisceau de laser ultraviolet qui génère des paires électrons-trous dans la zone de charge d’espace d’une diode sous test. La mesure du courant résultant permet d’accéder aux coefficients d’ionisation. A partir des mesures OBIC sur les diodes réalisées, nous avons pu déduire les coefficients pour ces deux polytypes du SiC. Plus particulièrement, les coefficients d’ionisation du SiC-4H sont déterminés dans une large gamme de champ électrique grâce aux mesures sur les différents dopages. Les paramètres des coefficients déterminés dans ce travail peuvent être utilisés en conception de dispositifs haute tension pour prédire plus précisément l’efficacité de leur protection périphérique. / Silicon carbide (SiC) has several exceptional properties as a wide band-gap, a high critical electric field and a high saturation velocity of carriers to replace silicon (Si) in the applications previously inaccessible with Si. A significant number of SiC power devices showing outstanding performances and the commercial availability of SiC devices confirm the maturity of SiC industry and show the SiC technological advances in recent years. However, there are few studies on the ionization coefficients in SiC, which nevertheless essential to accurately predict the breakdown voltage of SiC power devices. This work contributes to better determine these coefficients. For this, numerous diodes which are specifically designed for the determination of ionization coefficients in SiC by using OBIC (Optical Beam Induced Current) technique were realized on different wafers of 4H-SiC and 6H-SiC, two usual polytypes of SiC. This technique relies on an ultraviolet laser beam which generates electron-hole pairs in the space charge region of a diode under test. The resulting current measurement provides access to the ionization coefficients. From OBIC measurements performed on the diodes, we were able to deduce the ionization coefficients for the both polytypes of SiC. In particular, the ionization coefficients for 4H-SiC are determined in a wide range of electric field through measurements on devices with different doping level. The parameters of ionization coefficients determined in this work can be used in design of high voltage devices to predict more accurately the efficiency of periphery protections.

Nous présentons dans ce document, notre étude de la conception et la réalisation de VMOS et de diodes Schottky et JBS en carbure de silicium. Ce travail nous a permis d'optimiser et de fabriquer des diodes utilisant une barrière Schottky en Tungsten de différentes tenues en tension entre 1,2kV et 9kV. De plus, notre étude du VMOS nous a permis d'identifier la totalité des problèmes auxquels nous faisons face. Ainsi, nous avons pu améliorer ces composants tout en essayant de nouveaux designs tels que le VIEMOS et l'intégration monolithique de capteurs de temperature et de courant. / In this document, we present ou study about the conception and realization of VMOS and Schottky and JBS Diodes on Silicon Carbide. This work allowed us optimize and fabricate diodes using Tungsten as Schottky barrier on both Schottky and JBS diodes of different blocking capability between 1.2kV and 9kV. Moreover, our study of the VMOS, by considering the overall fabrication process, has permitted to identify the totality of the problems we are facing. Thusly we could ameliorate the devices and try new designs as the VIEMOS or the monolithic integration of temperature and current sensors.

Dans le contexte des transports plus électriques, les parties mécaniques tendent à être remplacées par leurs équivalents électriques plus petits. Ainsi, le composant lui-même doit supporter un environnement plus sévère et de lourdes contraintes (haute tension, haute température). Les composants silicium deviennent alors inappropriés. Depuis la commercialisation des premières diodes Schottky en 2001, le carbure de silicium est le matériau reconnu mondialement pour la fabrication de dispositifs haute tension avec une forte intégration. Sa large bande d'énergie interdite et son fort champ électrique critique permettent la conception de transistors à effet de champ avec jonction (JFET) pour les hautes tensions ainsi que les diodes associées. Les structures étudiées dépendent de nombreux paramètres, et doivent ainsi être optimisées. L'influence d'un paramètre ne pouvant être isolée, des méthodes mathématiques ont été appelées pour trouver la valeur optimale. Ceci a conduit à la mise en place d'un critère d'optimisation. Ainsi, les deux grands types de structures de JFET verticaux ont pu être analysés finement. D'une part, la recherche d'une structure atteignant les tensions les plus élevées possible a conduit à l'élaboration d'un procédé de fabrication complexe. D'autre part, un souci de simplification et de stabilisation des procédés de fabrication a permis le développement d'un composant plus simple, mais avec une limite en tension un peu plus modeste. / In the context of more electrical transports, mechanical devices tend to be replaced by their smaller electrical counterparts. However the device itself must support harsher environment and electrical constraints (high voltage, high temperature) thus making existing silicon devices inappropriate. Since the first Schottky diode commercialization in 2001, Silicon Carbide (SiC) is the favorite candidate for the fabrication of devices able to sustain high voltage with a high integration level. Thanks to its wide band gap energy and its high critical field, 4H-SiC allows the design of high voltage Junction Field Effect Transistor (JFET) with its antiparallel diode. Studied structures depends of many parameters, that need to be optimized. Since the influence of the variation of each parameter could not be isolated, we tried to find mathematical methods to emphase optimal values leading to set an optimization criterion. Thus, two main kinds of JFET structure were finely analyzed. In one hand, the aim of the structure that can sustain a voltage as high as possible leads to a complex fabrication process. In the other hand, the care of a simplification and a stabilization of manufacturing process leads to the design of simpler device, but with a bit less sustain capabilities.