Les composants actifs des convertisseurs de puissance empoyés pour la traction ferroviaire 1200 volts sont actuellement des IGBTs. Ceux-ci sont handicapés par leurs pertes en commutation et leur emballement thermique. L'utilisation de transistors MOS de puissance permettrait de pallier ces inconvénients. Néanmoins, à ces niveaux de tension, les transistors MOS sont pénalisés par leur compromis "tenue en tension/résistance passante spécifique". Dans le cadre de ces travaux de thèse, nous avons étudié différents principes pour concevoir une nouvelle structure MOS performante. Nous avons arrêté notre choix sur une structure se basant sur le concept de la superjonction, réalisé par gravure profonde et diffusion de bore. Théoriquement, cette structure atteint 13 mOcm2 pour 1200 V. Une grande partie des travaux de recherche a consisté à optimiser cette structure. Pour cela, nous avons étudié l'influence des paramètres technologiques et géométriques sur le compromis "tenue en tension/résistence passante spécifique". Nous avons également développé une terminaison innovante afin d'assurer la tenue en tension du composant. Il a ensuite fallu identifier les étapes critiques du procédé de fabrication. A partir de ces résultats, nous avons réalisé une diode 1200 V qui nous a permis de valider certaines briques technologiques.

Ce mémoire traite de la modélisation et de l'évaluation des performances d'un nouveau composant de puissance, le transistor MOS à tranchées. Plus précisément, on présente tout d'abord l'évolution des structures MOS de puissance basse tension depuis les années 70 jusqu'au transistor MOS à tranchées dont les principales propriétés sont énumérées. On réalise ensuite une étude des mécanismes - analyse statique à l'état passant et à l'état bloqué, analyse dynamique - intervenant dans les diverses zones du composant. Sur la base de cette étude, on établit un modèle de ce transistor pour le logiciel de simulation des circuits SPICE. Les procédures d'acquisition des paramètres de ce modèle sont précisées. Ce modèle ainsi obtenu est ensuite validé sur deux familles de divers composants MOS de puissance industriels. Enfin, les limites de performances statiques et dynamiques des transistors VDMOS et MOS à tranchées sont étudiées et comparées. Il est principalement montré que, dans le domaine des basses tensions, le transistor MOS à tranchées affiche des performances supérieures au transistor VDMOS en termes de résistance passante spécifique et de densité d'intégration. Les études analytiques et les simulations bidimensionnelles des deux types de composants montrent également que cette supériorité est appelée à s'accroître dans les années à venir.

Le compromis entre la résistance passante spécifique et la tenue en tension a toujours été un point pénalisant les performances statiques des structures MOS de puissance conventionnelles. Depuis 1997, de nouveaux concepts, tels que la Superjonction, la U-diode et la FLI-diode, sont apparus pour dépasser les limites conventionnelles du silicium, qui apparaissaient depuis une vingtaine d'années comme "infranchissables". Deux de ces concepts sont issus de nos travaux de recherche : il s'agit de la U-diode et de la FLI-diode qui font l'objet de ce mémoire. Ces deux diodes ont été étudiées et leur principe de fonctionnement a été appliqué aux composants MOS de puissance latéraux et verticaux. Concernant les composants facilement intégrables, c'est-à-dire essentiellement les composants MOS latéraux, le concept le plus intéressant est celui de la U-diode : dans la gamme des basses tensions de claquage (en dessous de 100 Volts), plusieurs structures, nommées LUDMOS, présentent un excellent compromis entre résistance passante spécifique et tenue en tension proche et même parfois meilleur que la limite du silicium. Concernant les composants MOS verticaux, préférentiellement utilisés en tant que composants discrets, c'est le concept de la FLI-diode qui est apparu le plus "prometteur". En effet, les composants FLIMOS verticaux présentent des tenues en tension supérieures à celle de la jonction plane et des résistances passantes spécifiques fortement améliorées et inférieures à la limite du silicium. La réalisation technologique du premier transistor FLIMOS 80 Volts pour l'électronique automobile du futur (batteries 42 Volts) a permis la validation de ce concept. Grâce à ces nouveaux concepts, de nouvelles limites pour le silicium ont été définies : la limite conventionnelle est désormais dépassée. Les solutions innovantes proposées ont donc montré que le silicium avait encore de l'avenir dans le domaine des composants et de l'intégration de puissance.

Les nouveaux systèmes développés par le secteur automobile font de plus en plus appel à l'électronique et nécessiteront bientôt plus de puissance que ce que peuvent fournir les batteries 12 et 24 Volts actuelles. C'est dans ce cadre que de nouvelles batteries 42 Volts vont être introduites. Dans un premier temps, nous avons montré que les solutions "classiques", permettant de diminuer la résistance à l'état passant des composants unipolaires conventionnels, n'étaient plus satisfaisantes car elles se heurtaient à une limitation fondamentale, dite "limite du silicium". C'est pour cette raison que nos travaux de recherche se sont orientés vers de nouveaux transistors MOS de puissance (FLYMOS") adaptés au 42 Volts. Le travail présenté dans ce mémoire est basé sur le concept des îlots flottants (FLi-Diode) et de son application aux composants MOS (FLYMOS"), afin d'améliorer le compromis "tenue en tension/ résistance à l'état passant". Ce concept consiste en l'introduction d'une région flottante P dans une zone N- afin d'étaler le champ électrique dans le volume : la tenue en tension peut ainsi être augmentée sans pour autant dégrader la résistance à l'état passant. Dans un deuxième temps, les paramètres technologiques ont été optimisés à l'aide de la simulation physique bidimensionnelle pour concevoir un transistor FLYMOS" (cellules de bord et centrale) présentant un compromis optimal entre tenue en tension et résistance à l'état passant. Le concept des îlots flottants a ensuite été validé par la réalisation technologique de FLi-Diodes et de FLYMOS" basse tension (BVdss < 100V). Les meilleurs transistors FLYMOS" ainsi réalisés présentent une tenue en tension supérieure à la tenue en tension de la jonction plane et une résistance à l'état passant fortement améliorée puisqu'elle est proche de la limite conventionnelle du silicium.

Dans un contexte énergétique mondial difficile, l'amélioration de la gestion de l'énergie électrique revêt une importance majeure. Le transfert de cette énergie électrique est assuré par l'intermédiaire de systèmes de puissances intégrant majoritairement des composants semi-conducteurs de puissance. La démarche d'optimisation entreprise depuis plusieurs années s'est concentrée sur la réduction des pertes en conduction. Dans ce cadre, les performances des transistors MOSFET sont exprimées par le compromis " tenue en tension (BVdss) / résistance à l'état passant (RON.S) ". Pour améliorer ce compromis, des concepts innovants telles que les Superjonctions ou les îlots flottants ont été développées sur silicium, permettant notamment de réduire drastiquement la résistance à l'état passant. Les travaux de recherche présentés dans cette thèse portent sur la réalisation d'un transistor FLYMOS intégrant jusqu'à deux niveaux d'îlots flottants de type P dans la région épitaxiée N-. Pour la première fois, la forme et les dimensions des îlots flottants ont été déterminées à l'aide d'une caractérisation physique originale. De plus, les limites du FLYMOS ont pu être définies à l'aide de caractérisations électriques dynamiques. Grâce à ces premières études, la compréhension phénoménologique de fonctionnement de ce type de composant a permis le développement d'un processus d'optimisation. Ainsi, des transistors FLYMOS d'une tenue en tension de 230 V ont été réalisés avec succès et leur résistance spécifique à l'état passant de 4,5 m?.cm2 se révèle inférieure à la limite conventionnelle du silicium. Au final, la caractérisation électrique complète de ces composants a permis de montrer qu'ils étaient une bonne alternative aux composants 200 V à Superjonction.

Au cours des dernières décennies, les circuits intégrés de puissance ont connu une croissance très importante. Aujourd'hui la régulation et distribution d'énergie électrique jouent un rôle crucial. La réduction constante des dimensions ainsi que le besoin en densité de puissance de plus en plus élevée ont mis en évidence la nécessité de structures toujours plus performantes. La technologie "smart power" a été développée pour satisfaire ces demandes. Cette technologie utilise les dispositifs DMOS, offrant de nouvelles solutions grâce à ses caractéristiques uniques forte tension et fort courant. Le fonctionnement de ces dispositifs est accompagné par l'apparition de nombreux phénomènes. Une bonne modélisation permet de rendre compte de ces phénomènes et prédire le comportement physique du transistor avant sa production. L'objectif de cette thèse était donc d'améliorer la modélisation et de mettre en place une méthode d'extraction de certains paramètres physiques liés au fonctionnement du MOS HV (High Voltage). Cette thèse a été principalement dédiée à la modélisation du phénomène de l'auto-échauffement et à la définition d'une méthode d'extraction des parasites RF dans les transistors MOS et, enfin, à la comparaison du macro-modèle utilisé par STMicroelectronics avec le modèle compact HiSIM_HV dédié au MOS HV. Pour cela, il était essentiel de mettre en place des nouvelles procédures de modélisation et d'extraction et de dessiner des structures de test spécifiques. Les résultats présentés dans cette thèse ont été validés par différentes comparaisons avec les mesures en technologies sur SOI et sur substrat massif.