Eine wichtige Eigenschaft von Leistungsdioden ist ihre Stoßstromrobustheit, also die Fähigkeit, einem kurzeitigen hohen Strom standzuhalten. Bei Dioden aus SiC wird dabei häufig auf die MPS-Struktur zurückgegriffen. In dieser Arbeit wird das Stoßstromverhalten von neuen 1200V-SiC-MPS-Dioden von Infineon untersucht. Dabei wird gemessen, welchem Strom die Dioden bei einem Halbsinus-Puls von 10ms standhalten. Das Ergebnis wird mit der Robustheit herkömmlicher SiC-Schottky-Dioden verglichen. Die Stoßstromrobustheit bei Parallelschaltung wird untersucht. Mittels elektro-thermischer Simulationen werden Möglichkeiten zur Verbesserung der Stoßstromrobustheit der Dioden erörtert. Hierbei wird die Schichtdicke erhöht und Kupfer statt Aluminium als Anodenmetallisierung angenommen. Des Weiteren wird das Simulationsmodell hinsichtlich der Lotschicht und eines reduzierten SiC-Substrats variiert. Die MPS-Dioden weisen bei hohem Strom einen negativen differentiellen Widerstand auf, hervorgerufen durch die Injektion von Minoritätsladungsträgern aus den p-dotierten Gebieten. Die Aktivierung der Injektion von Minoritätsladungsträgern in Abhängigkeit der Größe der p-dotierten Gebiete wird ebenfalls mittels Simulationen untersucht. Ein Vergleich verschiedener Caughey-Thomas-Parameter zur Modellierung der Ladungsträgermobilität in FEM-Bauelementsimulatoren wird durchgeführt. Das Ausschaltverhalten der MPS-Dioden wird unter verschiedenen Bedingungen gemessen. Dazu zählen das Abschalten unter Anwendungsbedingungen, das Abschalten unter Überlast von bis zum fünfzehnfachen Nennstrom, das Abschalten mit hohen Strom- und Spannungssteilheiten und das Abschalten in Parallelschaltung und mit zusätzlicher parasitärer Induktivität. Die Untersuchungen zeigen eine hohe Robustheit der neuen 1200V-SiC-MPS-Dioden. / The surge current ruggedness is an import property of power diodes. In case of SiC diodes this is realized by a Merged-pin-Schottky (MPS) structure. In this thesis the surge current ruggedness of novel 1200V SiC MPS diodes from Infineon is investigated. The maximum current during a half sine surge current pulse of 10ms is determined in measurements for various diodes and compared to the surge current ruggedness of conventional Schottky diodes. Furthermore, the surge current ruggedness in parallel arrangement is measured. By the means of electro-thermal simulations options to improve the surge current ruggedness are investigated. The simulation model is varied concerning the diodes anode metalization layer thickness and material. The layer thickness is increased and the typical aluminum is replaced by copper. Additionally, the influence of the silicon carbide substrate thickness and the solder layer thickness and material on the surge current ruggedness is simulated. The MPS diodes possess a negative differential resistance at high currents caused by the injection of minority carriers by the p-doped regions. The injection of minority carriers in dependence of the size of the p-regions is also examined in simulations. Furthermore, different parameter sets of the the Caughey-Thomas formula to describe the carrier mobility are compared. The turn-off behavior of the diodes is measured under different conditions such as the turn-off from fifteen times the rated current, the turn-off with high current and voltage slopes and the turn-off in parallel arrangement and with additional inductance. The investigation show a high robustness of the novel 1200V SiC MPS diodes.

Die Filtration unter aggressiven Einsatzbedingungen, z.B. Einsatz in korrosiven Medien, Abgasfiltration, stellt besondere Anforderungen an das Filtermaterial. Sogenanntes "Liquid Phase Sintered Silicon Carbide" (LPS-SiC) erfüllt die Anforderungen sehr gut. Deshalb bestand das Ziel der Arbeit besteht darin, erstmals aus LPS-SiC asymmetrische keramische Membranen (grobporöses Substrat mit dünner, feinporiger Membran) herzustellen. Als Additivsystem fanden Yttriumoxid und Aluminiumoxid Verwendung. Es wurde Siliciumcarbid der Körnung F1200 auf Substrat der Körnung F500 abgeschieden. Dem Herstellungsverfahren kommt für die Qualität der Membran eine große Bedeutung zu. Daher wurden in dieser Arbeit folgende Beschichtungsmethoden untersucht, um die optimale Methode zu identifizieren: Tauchbeschichtung, elektrophoretische Abscheidung, Druckfiltration und Einsatz von Transfertapes (Transfertapes: Mischung aus Polyacrylatkleber und Pulver). Im Mittelpunkt stand dabei die Druckfiltration. Hierfür wurde eine neue Apparatur konzipiert und aufgebaut. Für die schlickerbasierten Methoden wurde ein wässriges System entwickelt, bei dem auf den Einsatz von organischen Hilfsstoffen verzichtet werden konnte. Die elektrostatische Stabilisierung konnte durch gezieltes Anlösen von Yttriumoxid, Ausfällen von feinskaligem Yttriumhydroxid und Belegung des Siliciumcarbids mit dem Yttriumhydroxid erreicht werden. Die Elektrophorese führte zu keinen befriedigenden Ergebnissen aufgrund des undefinierten spezifischen Widerstandes des Substrats (siehe Dissertation Jan Ihle, Bergakademie Freiberg 2004). Die Druckfiltration erwies sich als das geeignetste Verfahren. Mit ihr konnten ohne Einschränkungen hochwertige Membranen erzeugt werden. Druck und Zeit sind bei gegebenen Feststoffgehalt frei wählbar. Der Druck wurde zwischen 2*10E4 und 1*10E5 Pa variiert. Höherer Druck führte zu feineren Porengrößen (mittlere und maximale Porengröße). Mit der Druckfiltration konnten Membranen ohne makroskopische Defekte erzeugt werden. Sie führte im Vergleich aller Verfahren zu der geringsten Rauhtiefe der Membranen. Die Tauchbeschichtung ließ sich in diesem System nur über den Feststoffgehalt steuern. Membranen aus der Tauchbeschichtung wiesen makroskopische Fehler (große oberflächliche Poren) auf. Die Methode führte hinsichtlich Porengrößen und Rauhtiefe zu den schlechtesten Werten. Die Transfertape-Methode als neuartiger Ansatz erwies sich für das LPS-SiC System als noch nicht ausgereift. Das direkte Bekleben der Substrate war möglich. Hinsichtlich der Membrandicke sind aber Grenzen bei ca. 50 µm gesetzt. Darüber hinaus reißen die Membranen. Es wurden Schwankungen in der Entbinder- und Sinterschwindung verzeichnet. Weiterhin werden große Hohlräume im Substrat nicht von den Transfertapes abgeformt. Beide Effekte erhöhen die Spannungen beim Sintern, so dass bei geringeren Schichtdicken Risse entstehen. / Silicon Carbide (SiC) fulfills many requirements, e.g. a high robustness in terms of corrosion, which makes it a suitable Material for ceramic membranes. The aim of this work was to produce ceramic membranes out of porous liquid phase sintered Silicon Carbide (LPS-SiC). As additives Alumina and Yttria were used. The SiC based on commercial abrasive powders F1200 (Membrane) and F500 (Substrate). Different techniques of membrane formation were applied in order to find the optimum processing procedure: Dip Coating, Electrophoretic Deposition (EPD), Pressure Filtration and the usage of so called Transfer Tapes, a blend of Polyacrylate and ceramic powders). For the slip based methods a water based system was developed without the need of organic additives. A pure electrostatic stabilization was facilitated by solving Yttria with Hydrochloride Acid and precipitation, resulting in the coverage of the SiC particles with finely dispersed Yttria. The EPD was not successful due to a undefined specific resistance of the substrate. The pressure filtration turned out to be the best, most versatile method, leading to defect free membranes with the lowest measured surface roughness. The pressure ranged between 2*10E4 and 1*10E5 Pa. Higher pressure lead to finer pores. The Dip Coating was controlled only by the solids content. Membranes by Dip Coating showed macroscopic defects. As a new concept for ceramic membrane fabrication the Transfer Tapes needed further investigation. The direct gluing on the substrate was possible. The thickness of the membrane was limited to 50 microns in order to keep free of cracks. The Transfer Tapes exhibited pronounced fluctuations in the debinding and sintering shrinkage, leading to increased tension during sintering. Furthermore cavities, (e.g. big pores) were bridged. Both effects lead to increased tension during sintering.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Our ability to engineer materials is limited by our capacity to tailor the material’s microstructure morphology and predict resulting properties. The insufficient knowledge on microstructure-property relationship is due to complexity and randomness in all materials at different scales. The objective of this research is to establish a design optimization methodology for microstructured materials. The material design problem is stated as finding the optimum microstructure to maximize the desired performance satisfying material processing constrains. This problem has been solved in this thesis by means of numerical techniques through four main steps: microstructure characterization, model reconstruction, property evaluation, and optimization. Two methods of microstructure characterizations have been investigated along with the advantages and disadvantages of each method. The first microstructure characterization method is a statistical method which utilizes correlation functions to extract the microstructural information. Algorithms for calculating these correlations functions have been developed and optimized based on their computational cost using MATLAB software. The second microstructure characterization method is physical characterization which works based on evaluation of physical features in microstructured domain. These features have been measured by means of MATLAB codes. Three model reconstruction techniques are proposed based on these characterization methods and employed to generate material models for further evaluation. The first reconstructing algorithm uses statistical functions to reconstruct the statistical equivalent model through simulating annealing optimization method. The second algorithm uses cellular automaton concepts to simulate the grain growth utilizing physical descriptors, and the third one generates elliptical inclusions in a material matrix using physical characteristic of microstructure. The finite element method is used to analysis the mechanical behavior of material models. Several material samples with different microstructural characteristics have been generated to model the micro-scale design domain of AZ31 magnesium alloy and magnesium matrix composite with silicon carbide fibers. Then, surrogate models have been created based on these samples to approximate the entire design domain and demonstrate the sensitivity of the desired mechanical property to two independent microstructural features. Finally, the optimum microstructure characteristics of material samples for fracture strength maximization have been obtained.

All DC/DC converter products include power electronic circuits for power conversion.It is important to find an efficient way for power conversion to reduce power losses and reduce the need for cooling and achieve environmentally friendly solutions.The use of semiconductor switches of wide band gap type is a solution to the problem.Therefore, the investigation of the SiC MOSFET in DC/DC converters is of crucial importance for the reduction of power losses.The thesis investigates the SiC MOSFET in three different tests.The efficiency test, the temperature test and the double pulse test.In the efficiency, the MOSFET STC3080KR and NTH4L022N120M3S are compared with their respective simulation made on PLECS.While in the temperature test the STC3080KR is investigated at different frequencies.In Double Pulse Test the MOSFET STC3080KR with 4-pin (TO-247 4L) package is compared with the MOSFET SCT3080KLHRC11 with 3-pin package (TO-247 N).The efficiency test shows that the MOSFET SCT3080KR in the practical test gives an efficiency in the range of 96,5-96,1% at 110kHz, 96-95,4% at 150kHz and 95,8-94,2% at 180kHz.While, the NTH4L022N120M3S gives an efficiency in the range of 98,1-97,1% at 110kHz, 96,3-96,2% at 150kHz and 96,1-95,5% at 180kHz.The efficiency given by the simulation is higher than the actual efficiency for both MOSFETs.However, the shape of the curves in the practical part matches the simulated one.The efficiency is not the same since the simulation do not consider all the losses present in the practical part.The temperature test shows that the temperature for the high side and low side increases when the frequency and the load current increases.However, some results show that when the load current increases at some point the low-side MOSFET will reach the temperature of the high-sided MOSFET and at the end it will exceed its value. This is due to the increment of the conduction losses since the low side MOSFET is basically the body diode incorporated in the MOSFET.Finally, the Double Pulse Test shows that the TO-247 N (3-pin) package switches with less source inductance compared to the TO-247 4L (4-pin) package.Therefore, the MOSFET SCT3080KLHRC11 (TO-247 N package) needs more time during the switching and which means that the switching power losses will be higher in comparison to the SCT3080KR as shown in Table 5.2 and Table 5.1. / Alla DC/DC-omvandlarprodukter inkluderar kraftelektroniska kretsar för effektomvandling. Detta gör att det är viktigt att hitta ett effektivt sätt för effektomvandlingen för att minska effektförlusterna och minska behovet av kylning och uppnå miljövänliga lösningar.Användningen av halvledaromkopplare med ett stort bandgap är en lösning på problemet.Därför är undersökningen av SiC MOSFET i DC/DC-omvandlare av avgörande betydelse för att minska effektförlusterna. Detta examensarbete undersöker SiC MOSFET i tre olika tester vilket är; Effektivitetstestet, temperaturen testet och double pulse testet.I effektivitets testet jämförs MOSFET STC3080KR och NTH4L022N120M3S med deras respektive simulering gjorda på PLECS.Medan i temperaturtestet undersöks STC3080KR vid olika frekvenser.I double pulse testet jämförs MOSFET STC3080KR med ett 4-stifts (TO-247 4L)-paket med MOSFET SCT3080KLHRC11 med ett 3-stiftspaket (TO-247 N).Effektivitetstestet visar att MOSFET SCT3080KR i det praktiska testet ger en verkningsgrad i intervallen 96,5-96,1% vid 110kHz, 96-95,4% vid 150kHz och 95,8-94,2% och vid 180kHz.Medan NTH4L022N120M3S visar en effektivitet i intervallet av 98,1-97,1% vid 110kHz, 96,3-96,2% vid 150kHz och 96,1-95,5% vid 180kHz.Verkningsgraden som ges av simuleringen är högre än den praktiska för båda MOSFET:erna.Formen på kurvorna i den praktiska delen matchar den simulerade.Verkningsgraden är inte densamma eftersom simuleringen inte tar hänsyn till alla förluster som finns i den praktiska delen.Temperaturtestet visar att temperaturen för den höga sidan och lågsidan ökar när frekvensen och belastningsströmmen ökar.Vissa resultat visar att när belastningsströmmen ökar lågsidans MOSFET når temperaturen hos den högsidiga MOSFET:en och i slutet kommer den att överstiga dess värde.Detta beror på ökningen av ledningsförlusterna eftersom MOSFET på lågsidan i grunden är kroppsdioden som ingår i MOSFET.Slutligen, visar double pulse testet att TO-247 N (3-stifts)-paketet växlar med mindre källinduktans jämfört med till TO-247 4L (4-stifts)-paketet.Därför behöver MOSFET SCT3080KLHRC11 (TO-247 N-paket) mer tid under växlingen och därför blir växlingseffektförlusterna högre jämfört med SCT3080KR, detta visas i Tabell 5.2 och Tabell 5.1.

Combustion with a high surface area continuous solid immersed within the flame, referred to as combustion in porous media, is an innovative approach to combustion as the solid within the flame acts as an internal regenerator distributing heat from the combustion byproducts to the upstream reactants. By including the solid structure, radiative energy extraction becomes viable, while the solid enables a vast extension of flammability limits compared to conventional flames, while offering dramatically reduced emissions of NOx and CO, and dramatically increased burning velocities. Efforts documented within are used for the development of a streamlined set of design principles, and characterization of the flame's behavior when operating under such conditions, to aid in the development of future combustors for lean burn applications in open flow systems. Principles described herein were developed from a combination of experimental work and reactor network modeling using CHEMKIN-PRO. Experimental work consisted of a parametric analysis of operating conditions pertaining to reactant flow, combustion chamber geometric considerations and the viability of liquid fuel applications. Experimental behavior observed, when utilizing gaseous fuels, was then used to validate model outputs through comparing thermal outputs of both systems. Specific details pertaining to a streamlined chemical mechanism to be used in simulations, included within the appendix, and characterization of surface area of the porous solid are also discussed. Beyond modeling the experimental system, considerations are also undertaken to examine the applicability of exhaust gas recirculation and staged combustion as a means of controlling the thermal and environmental output of porous combustion systems. This work was supported by ACS PRF "51768-ND10 and NSF IIP 1343454.

Die besonderen Eigenschaften von Graphen ermöglichen das Design von elektronischen Bauteilen im Nanometerbereich. Graphen kann auf der Oberfläche von Siliziumkarbonat (SiC) durch das Ausdampfen von Si epitaktisch gewachsen werden. Ein detailliertes Verständnis der atomaren und elektronischen Struktur der Grenzschicht zwischen Graphen und SiC ist ein wichtiger Schritt um die Wachstumsqualität zu verbessern. Wir nutzen Dichtefunktionaltheorie um das Hybridsystem Graphen-SiC auf atomarer Ebene zu beschreiben. Experimentelle Arbeiten auf der Si Seite von SiC haben gezeigt, dass die Grenzschicht (ZLG) durch eine teilweise kovalent gebundene Kohlenstofflage wächst; darüber bildet sich die erste Graphenlage (MLG). Durch das Konstruieren eines ab initio Oberflächenphasendiagrams zeigen wir, dass sowohl ZLG als auch MLG Gleichgewichtsphasen sind. Unsere Ergebnisse implizieren, dass Temperatur- und Druckbedingungen für den selbstbegrenzenden Graphenwachstum existieren. Wir zeigen, dass sich das Doping und die Riffellung von epitaktischem Graphene durch H-Interkalation reduzieren. Im Experiment unterscheidet sich das Graphenwachstum auf der C Seite qualitativ von der Si Seite. Zu Beginn des Graphenwachstums wird eine Mischung verschiedener Oberflächenphasen beobachtet. Wir diskutieren die Stabilität dieser konkurierenden Phasen. Die atomaren Strukturen von einigen dieser Phasen, inklusive der Graphen-SiC Grenzschicht, sind nicht bekannt wodurch die theoretische Beschreibung erschwert wird. Wir präsentieren ein neues Model für die bisher unbekannte (3x3) Rekonstruktion, das Si Twist Model. Die Oberflächenenergie vom Si Twist Model und von der bekannten (2x2)c Phase schneiden sich direkt an der Grenze zur Graphitbildung. Dies erklärt die experimentell beobachtete Phasenkoexistenz zu Beginn des Graphenwachstums. Wir schlussfolgern, dass auf der C Seite der kontrollierte Graphenewachstum durch Si-reiche Oberflächenphasen blockiert wird. / Graphene with its unique properties spurred the design of nanoscale electronic devices. Graphene films grown by Si sublimation on SiC surfaces are promising material combinations for graphene applications. Understanding the atomic and electronic structure of the SiC-graphene interface, is an important step to refine the growth quality. In this work, density-functional theory is used to simulate the SiC-graphene interface on an atomistic level without empirical parameters. Experimental work has shown that on the Si face of SiC, a partially covalently bonded carbon layer, the zero-layer graphene (ZLG), grows. On top of the ZLG layer forms mono-layer graphene (MLG) as large ordered areas and then few-layer graphene. By constructing an ab initio surface phase diagram, we show that ZLG and MLG are at least near equilibrium phases. Our results imply the existence of temperature and pressure conditions for self-limiting growth of MLG key to the large-scale graphene production. H intercalation significantly reduces both the corrugation and the graphene doping. Our calculations demonstrate that unsaturated Si atoms in the ZLG influence the electronic structure of graphene. The situation on the C face of SiC is very different. The experimental growth of large areas of graphene with well defined layer thickness is difficult. At the onset of graphene formation a phase mixture of different surface phases is observed. We will address the stability of the different occuring surface phases. However, the atomic structure of some of the competing surface phases, as well as of the SiC-graphene interface, is unknown. We present a new model for the (3x3) reconstruction, the Si twist model. The surface energies of this Si twist model, the known (2x2)c adatom phase, and a graphene covered (2x2)c phase cross at the chemical potential limit of graphite, which explains the observed phase mixture. We argue that well-controlled graphene formation is hindered by Si-rich surface phases.

Silicon Carbide (SiC) is a wide-bandgap (WBG) semiconductor materialwhich has several advantages such as higher maximum electric field, lowerON-state resistance, higher switching speeds, and higher maximum allowablejunction operation temperature compared to Silicon (Si). In the 1.2 kV - 1.7kV voltage range, power devices in SiC are foreseen to replace Si Insulatedgatebipolar transistors (IGBTs) for applications targeting high efficiency,high operation temperatures and/or volume reductions. In particular, theSiC Metal-oxide semiconductor field-effect transistor (MOSFET) – which isvoltage controlled and normally-OFF – is the device of choice due to the easeof its implementation in designs using Si IGBTs.In this work the reliability of SiC devices, in particular that of the SiCMOSFET, has been investigated. First, the possibility of paralleling two discreteSiC MOSFETs is investigated and validated through static and dynamictests. Parallel-connection was found to be unproblematic. Secondly, drifts ofthe threshold voltage and forward voltage of the body diode of the SiC MOSFETare investigated through long-term tests. Also these reliability aspectswere found to be unproblematic. Thirdly, the impact of the package on thechip reliability is discussed through a modeling of the parasitic inductancesof a standard module and the impact of those inductances on the gate oxide.The model shows imbalances in stray inductances and parasitic elementsthat are problematic for high-speed switching. A long-term test on the impactof humidity on junction terminations of SiC MOSFETs dies and SiCSchottky dies encapsulated in the same standard package reveals early degradationfor some modules situated outdoors. Then, the short-circuit behaviorof three different types (bipolar junction transistor, junction field-effect transistor,and MOSFET) of 1.2 kV SiC switching devices is investigated throughexperiments and simulations. The necessity to turn OFF the device quicklyduring a fault is supported with a detailed electro-thermal analysis for eachdevice. Design guidelines towards a rugged and fast short-circuit protectionare derived. For each device, a short-circuit protection driver was designed,built and validated experimentally. The possibility of designing diode-lessconverters with SiC MOSFETs is investigated with focus on surge currenttests through the body diode. The discovered fault mechanism is the triggeringof the npn parasitic bipolar transistor. Finally, a life-cycle cost analysis(LCCA) has been performed revealing that the introduction of SiC MOSFETsin already existing IGBT designs is economically interesting. In fact,the initial investment is saved later on due to a higher efficiency. Moreover,the reliability is improved, which is beneficial from a risk-management pointof-view. The total investment over 20 years is approximately 30 % lower fora converter with SiC MOSFETs although the initial converter cost is 30 %higher. / Kiselkarbid (SiC) är ett bredbandgapsmaterial (WBG) som har flera fördelar,såsom högre maximal elektrisk fältstyrka, lägre ON-state resitans, högreswitch-hastighet och högre maximalt tillåten arbetstemperatur jämförtmed kisel (Si). I spänningsområdet 1,2-1,7 kV förutses att effekthalvledarkomponenteri SiC kommer att ersätta Si Insulated-gate bipolar transistorer(IGBT:er) i tillämpningar där hög verkningsgrad, hög arbetstemperatur ellervolymreduktioner eftersträvas. Förstahandsvalet är en SiC Metal-oxidesemiconductor field-effect transistor (MOSFET) som är spänningsstyrd ochnormally-OFF, egenskaper som möjliggör enkel implementering i konstruktionersom använder Si IGBTer.I detta arbete undersöks tillförlitligheten av SiC komponenter, specielltSiC MOSFET:en. Först undersöks möjligheten att parallellkoppla tvådiskretaSiC MOSFET:ar genom statiska och dynamiska prov. Parallellkopplingbefanns vara oproblematisk. Sedan undersöks drift av tröskelspänning ochbody-diodens framspänning genom långtidsprov. Ocksådessa tillförlitlighetsaspekterbefanns vara oproblematiska. Därefter undersöks kapslingens inverkanpåchip:et genom modellering av parasitiska induktanser hos en standardmoduloch inverkan av dessa induktanser pågate-oxiden. Modellen påvisaren obalans mellan de parasitiska induktanserna, något som kan varaproblematiskt för snabb switchning. Ett långtidstest av inverkan från fuktpåkant-termineringar för SiC-MOSFET:ar och SiC-Schottky-dioder i sammastandardmodul avslöjar tidiga tecken pådegradering för vissa moduler somvarit utomhus. Därefter undersöks kortslutningsbeteende för tre typer (bipolärtransistor,junction-field-effect transistor och MOSFET) av 1.2 kV effekthalvledarswitchargenom experiment och simuleringar. Behovet att stänga avkomponenten snabbt stöds av detaljerade elektrotermiska simuleringar för allatre komponenter. Konstruktionsriktlinjer för ett robust och snabbt kortslutningsskyddtas fram. För var och en av komponenterna byggs en drivkrets medkortslutningsskydd som valideras experimentellt. Möjligheten att konstrueradiodlösa omvandlare med SiC MOSFET:ar undersöks med fokus påstötströmmargenom body-dioden. Den upptäckta felmekanismen är ett oönskat tillslagav den parasitiska npn-transistorn. Slutligen utförs en livscykelanalys(LCCA) som avslöjar att introduktionen av SiC MOSFET:ar i existerandeIGBT-konstruktioner är ekonomiskt intressant. Den initiala investeringensparas in senare pågrund av en högre verkningsgrad. Dessutom förbättrastillförlitligheten, vilket är fördelaktigt ur ett riskhanteringsperspektiv. Dentotala investeringen över 20 år är ungefär 30 % lägre för en omvandlare medSiC MOSFET:ar även om initialkostnaden är 30 % högre. / <p>QC 20170524</p>

L’émergence d’interrupteurs de puissance en SiC permet d’envisager des convertisseurs de puissance capables de fonctionner au sein des environnements sévères tels que la haute tension (> 10 kV ) et la haute température (> 300 °C). Aucune solution de commande spécifique à ces environnements n’existe pour le moment. Le développement de fonctions élémentaires en SiC (comparateur, oscillateur) est une étape préliminaire à la réalisation d’un premier démonstrateur. Plusieurs laboratoires ont développé des fonctions basées sur des transistors bipolaires, MOSFETs ou JFETs. Cependant les recherches ont principalement portées sur la conception de fonctions logiques et non sur l’intégration de drivers de puissance. Le laboratoire AMPERE (INSA de Lyon) et le Centre National de Microélectronique de Barcelone (Espagne) ont conçu un MESFET latéral double grille en SiC. Ce composant élémentaire sera à la base des différentes fonctions intégrées envisagées. L’objectif de ces recherches est la réalisation d’un convertisseur élévateur de tension "boost" monolithique et de sa commande en SiC. La démarche scientifique a consisté à définir dans un premier temps un modèle de simulation SPICE du MESFET SiC à partir de caractérisations électriques statique et dynamique. En se basant sur ce modèle, des circuits analogiques tels que des amplificateurs, oscillateurs, paires différentielles, trigger de Schmitt ont été conçus pour élaborer le circuit de commande (driver). La conception de ces fonctions s’avère complexe puisqu’il n’existe pas de MESFETs de type P et une polarisation négative de -15 V est nécessaire au blocage des MESFETs SiC. Une structure constituée d’un pont redresseur, d’un boost régulé avec sa commande basée sur ces différentes fonctions a été réalisée et simulée sous SPICE. L’ensemble de cette structure a été fabriqué au CNM de Barcelone sur un même substrat SiC semi-isolant. L’intégration des éléments passifs n’a pas été envisagée de façon monolithique (mais pourrait être considérée pour les inductances et capacités dans la mesure où les valeurs des composants intégrés sont compatibles avec les processus de réalisation). Le convertisseur a été dimensionné pour délivrer une de puissance de 2.2 W pour une surface de 0.27 cm2, soit 8.14 W/cm2. Les caractérisations électriques des différents composants latéraux (résistances, diodes, transistors) valident la conception, le dimensionnement et le procédé de fabrication de ces structures élémentaires, mais aussi de la majorité des fonctions analogiques. Les résultats obtenus permettent d’envisager la réalisation d’un driver monolithique de composants Grand Gap. La perspective des travaux porte désormais sur la réalisation complète du démonstrateur et sur l’étude de son comportement en environnement sévère notamment en haute température (> 300 °C). Des analyses des mécanismes de dégradation et de fiabilité des convertisseurs intégrés devront alors être envisagées. / The new SiC power switches is able to consider power converters, which could operate in harsh environments as in High Voltage (> 10kV) and High Temperature (> 300 °C). Currently, they are no specific solutions for controlling these devices in harsh environments. The development of elementary functions in SiC is a preliminary step toward the realization of a first demonstrator for these fields of applications. AMPERE laboratory (France) and the National Center of Microelectronic of Barcelona (Spain) have elaborated an elementary electrical compound, which is a lateral dual gate MESFET in Silicon Carbide (SiC). The purpose of this research is to conceive a monolithic power converter and its driver in SiC. The scientific approach has consisted of defining in a first time a SPICE model of the elementary MESFET from electric characterizations (fitting). Analog functions as : comparator, ring oscillator, Schmitt’s trigger . . . have been designed thanks to this SPICE’s model. A device based on a bridge rectifier, a regulated "boost" and its driver has been established and simulated with the SPICE Simulator. The converter has been sized for supplying 2.2 W for an area of 0.27 cm2. This device has been fabricated at CNM of Barcelona on semi-insulating SiC substrate. The electrical characterizations of the lateral compounds (resistors, diodes, MESFETs) checked the design, the "sizing" and the manufacturing process of these elementary devices and analog functions. The experimental results is able to considerer a monolithic driver in Wide Band Gap. The prospects of this research is now to realize a fully integrated power converter in SiC and study its behavior in harsh environments (especially in high temperature > 300 °C). Analysis of degradation mechanisms and reliability of the power converters would be so considerer in the future.

L’utilisation des semi-conducteurs à large bande interdite (wide bandgap ou WBG) tels que le carbure de silicium SiC, le nitrure de gallium GaN, le diamant, etc… s’est répandue dans le domaine de l’électronique de puissance ces dernières décennies. Leurs caractéristiques électroniques et mécaniques font des WBGs des solutions alternatives pour remplacer le traditionnel silicium. Cependant, des études supplémentaires sont indispensables pour améliorer la tenue en tension, les pertes statiques et dynamiques et les performances en fonctionnement à haute température des composants WBGs. Dans ce cadre, deux bancs expérimentaux OBIC (Optical Beam Induced Current) spécifiques « en cours de développement » sont mis en place pendant cette thèse. L’OBIC consiste à éclairer avec un faisceau laser de longueur d’onde appropriée une jonction polarisée en inverse, des porteurs de charge sont alors créés par absorption photonique. On peut alors mesurer un courant induit par faisceau optique (OBIC) lorsque les porteurs sont générés dans la zone de charge d’espace. Après une première phase de préparation et d’adaptation de l’environnement expérimental, des essais ont mené à la démonstration du principe de génération multi-photonique en éclairant une jonction SiC avec un faisceau vert (532 nm). L’analyse des différentes mesures OBIC nous a permis de construire une image du champ électrique à la surface de la diode : une analyse non destructive pour étudier l’efficacité des protections périphériques des jonctions et pour détecter les défauts dans la structure cristalline. Egalement, la durée de vie des porteurs minoritaires a été déduite par l’analyse de la décroissance du courant OBIC au bord de la jonction. Les coefficients d’ionisation sont également déterminés par la méthode OBIC, ces coefficients sont des paramètres clés pour la prévision de la tension de claquage des composants. Nous avons réalisé des mesures OBIC dans le GaN, et nous avons observé un effet d’absorption bi-photonique dans le diamant avec un faisceau UV (349 nm). / In the last few decades, the use of wide bandgap (WBG) semiconductors (silicon carbide SiC, gallium nitride GaN, diamond, etc…) has become popular in the domain of power electronics. Their electronic and mechanical characteristics made of the WBGs a good alternative to the traditional silicon. However, additional studies are mandatory to improve the breakdown voltage, static and dynamic losses, and the performance at high temperature of the WBG devices. In this context, two specific experimental benches OBIC (Optical Beam Induced Current) -under development- are set up during this thesis. OBIC method consists to generate free charge carriers in a reverse biased junction by illuminating the device with an appropriate wavelength. An OBIC signal is measured if the charge carriers are generated in the space charge region. After a first phase of preparation and adaptation of the experimental environment, OBIC measurements led to demonstrate the multi-photonic generation by illuminating a SiC junction with a green laser (532 nm). OBIC measurements allowed giving an image of the electric field at the surface of the diode: OBIC presents a non-destructive analysis to study the efficiency of the peripheral protection and to detect the defects in the semi-conductor. Minority carrier lifetime was also deduced by studying the OBIC decrease at the edge of the space charge region. Ionization rates were extracted using OBIC method; these coefficients are key parameters to predict the breakdown voltage of the devices. OBIC measurements were also realized on the GaN, and two-photon generation was highlighted by measuring an OBIC current in the diamond when illuminating it with a UV laser beam (349 nm).

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.