In the electronic industrials, power control of AC motors is commonly used. For example power control of a washing machine motor, a vacuum cleaner motor or a coffee machine motor. The company Rejlers Ingenjörer AB has many projects where power control of AC motors is included. A prototype card for this task can save time and money for the company in the future and this is the reason for this thesis. The motors are power controlled by a TRIAC and control of the trigging pulses to the TRIAC. This card is modularly built and can easily be adapted for future projects where the power control of AC motors are included. The prototype card can be used as a subsystem in a larger electronics projects or as it is in lab environment for testing and evaluating new motors. / Inom elektronikbranschen, exempelvis vitvarutillverkare är effektstyrning av ACmotorer vanligt förekommande. Det kan handla om effektstyrning av en diskmaskinsmotor, en dammsugarmotor eller en tvättmaskinsmotor. Företaget Rejlers ingenjörer AB har flera gånger fått uppdrag där effektstyrning av AC-motorer ingått och har behov av ett prototypkort för detta som ska kunna återanvändas i framtida projekt för att spara tid och pengar. Effektstyrningen av motorerna sker med hjälp av en triac och styrning av tändpulserna till denna triac. Detta kort är modulärt uppbyggd så att det enkelt kan anpassas till framtida projekt där effektstyrning av AC-motorer ingår. Prototypkortet kan användas som ett delsystem i ett större elektronikprojekt eller i labbmiljö för test och utvärdering av nya motorer.

The thesis introduces new semiconductor structures that are used as protections against Electrostatic Discharge occuring in integrated circuits. The fundamental structure for modeling and simulation has been lateral Silicon Controlled Rectifier. This SCR structure has been modificated to enable tuning of the triggering and holding voltages by changing geometrical mask dimensions. On the base of modeling and simulation the new proposed structures have been published. Also several protection structures have been designed to be manufactured and measured on a testchip. The final electrical behavior has been verified by measurement. Finally, the focus has been aided to protection circuit with bipolar transistor. This approach has been also simulated and verified by measurement. Advantages and disadvantages of the proposed protection structures are commented in the thesis.

Ces travaux de thèse portent sur le développement d’une périphérie innovante de TRIAC exploitant le caractère semiisolant du silicium poreux (PS). L’intégration de caissons PS type P à partir des profils de dopage du TRIAC est en effet accessible. Une revue des propriétés électriques du PS type P réalisée à partir de nos propres échantillons méso voire micro-poreux a donc été entreprise. Des mesures de capacités et des relevés I-V ont ainsi permis de déterminer l’évolution de la constante diélectrique relative du PS ainsi que sa résistivité en fonction de la porosité. Plus cette dernière est élevée et plus les propriétés diélectriques du PS se rapprochent de celles d’un isolant. L’analyse des résultats a également permis de clarifier les mécanismes de transport des porteurs au sein de la couche de PS. Des prototypes de TRIACs avec une terminaison de jonction à base de PS ont ensuite été conçus, fabriqués et étudiés. La localisation du PS et la gestion des contraintes mécaniques résultant de la formation du PS sont apparus comme les principaux verrous technologiques à surmonter. Des solutions ont été proposées, néanmoins les tenues en blocage atteintes se sont avérées insuffisantes. Des courants de fuite supérieurs à la dizaine de milliampères ont en effet été mesurés et ce pour des tensions de polarisation de l’ordre de 100 V. La géométrie des caissons PS et/ou la présence de charges fixes à l’interface PS / Silicium sont jugées responsables des résultats. Enfin, en s’appuyant sur un modèle macroscopique du PS, une nouvelle structure plus optimisée a été suggérée. / This PhD thesis deals with the development of a novel TRIAC periphery, exploiting the semi-insulating nature of porous silicon (PS). It is namely accessible to integrate P type PS wells through the doping profiles encountered in the TRIAC. Thus, a review of the P type PS electrical properties was achieved through dedicated samples. In this context, capacitance measurements and I-V plots were used to determine the evolution of the PS relative dielectric constant and its resistivity with the porosity. Higher the latter is, more insulating the PS is. By analyzing all the results, it was also possible to clarify the carrier transport mechanisms in the PS. Some TRIAC prototypes with a PS based junction termination were then designed, processed and studied. The stress coming from the PS formation and the PS masking were the main technological steps to solve. First solutions were proposed, nevertheless insufficient blocking performances were reached. Leakage currents higher than 10 mA were demonstrated while the bias voltage was only 100 V. The presence of fixed charges at the PS / Silicon interface and/or the geometry of the PS wells may explain these results. Finally, with the help of a macroscopic PS model, a more optimized structure was proposed.

Cette thèse est dédiée à l’étude, à la réalisation et à la caractérisation de nouvelles périphéries de TRIAC. L’objet de cette recherche est de réduire l’espace occupé par la périphérie en tentant de conserver le même niveau de performances au blocage. Deux voies d’amélioration ont été poursuivies : l’une concerne la réalisation de caissons d’isolation par thermomigration d’aluminium, l’autre implique l’intégration du silicium poreux dans le caisson d’isolation. La thermomigration d’aluminium est une technique attractive permettant de remplacer les techniques de diffusion conventionnelles. Son industrialisation subit cependant quelques verrous technologiques, notamment le retrait des résidus aluminés et la formation de billes. Deux procédés de gravure ont été développés en vue d’enlever sélectivement l’ensemble de résidus. L’origine des billes a été analysée à l’aide d’observations expérimentales et de modélisations numériques. En utilisant un motif incluant des trous carrés aux intersections, des résultats encourageants ont été démontrés malgré une uniformité thermique encore optimisable. La deuxième voie d’innovation consiste à profiter des propriétés diélectriques du silicium poreux. Un procédé de masquage par fluoropolymère a été développé pour la localisation du silicium poreux. Les conditions d’anodisation adéquates ont été déterminées. La caractérisation de prototypes a montré des tenues au blocage largement améliorées par rapport à l’étude précédente. Bien que les tenues en tension nécessaires n’aient pas été atteintes, des courants de fuite inférieures à 10 μA ont été constatés jusqu’à plusieurs centaines de volts. / This thesis is dedicated to the study, the realization and the testing of “Planar” type TRIAC with novel peripheries. The aim of this research is to shrink the device periphery while maintaining the same level of blocking performances. Two paths of innovation have been pursued: one concerning Al-Si thermomigration for the production of through-wafer isolation walls, and the other involving porous silicon and its integration in the isolation walls. Al-Si thermomigration is an attractive mean allowing to replace conventional diffusion technologies. However, several remaining issues, such as the removal of the unintentional residues and the ball formation phenomenon, block its commercial application. Two different etching procedures have been developed in order to selectively remove all residues. The origin of the ball phenomenon has been analyzed using experimental observations and numerical modeling. By using a new pattern including square holes at intersections, encouraging results have been demonstrated in spite of an optimizable thermal uniformity. The second way of innovation is to take advantage of the dielectric properties of the porous silicon. A fluoropolymer masking process has been developed for local porous silicon formation. The appropriate anodization conditions have been determined. The characterization results showed improved blocking performances compared to the previous study. Although the necessary voltage requirements are not met, leakage currents of less than 10 μA have been observed up to several hundred volts.

Dans l’industrie de la micro-électronique, les efforts à fournir pour les nouvelles applications développées deviennent de plus en plus contraignants et difficiles à supporter en terme de coût. Les agressions provenant des décharges électrostatiques (ESD) générées par l’environnement direct sur les puces constituent un facteur important de la chute de rendement et donc des coûts. Ces difficultés s’ajoutent aux limites physiques plus strictes pour fabriquer des transistors lorsque l’on aborde des échelles nanométriques. La technologie Silicium sur Isolant (SOI) a été développée afin de contourner cette difficulté, mais l’intégration des protections ESD limite son émergence du fait de la complexité de la mise au point et du développement d’un réseau de protection pour la puce.L’objectif annoncé de ce travail de recherche, effectué en collaboration entre STMicroelectronics le CEA et l’IMEP est d’évaluer les caractéristiques principales de la technologie pour la protection contre les décharges et de proposer une stratégie innovante de protection adaptée au SOI. En effet, à partir de résultats expérimentaux, nous avons pu constater que l’oxyde enterré, le BOX, limite les performances en robustesse et diminue la fenêtre de conception pour le déclenchement des protections. Pour y remédier, une structure commandée bidirectionnelle a été développée sur PDSOI afin de faciliter la dissipation thermique et améliorer la robustesse. Pour prolonger cette solution sur technologie FDSOI, une étude approfondie sur le thyristor afin a été menée afin de porter cette solution. L’analyse de simulation 3D et de résultats silicium ont permis de proposer une stratégie de protections innovantes pour le thyristor sur FDSOI. / In the microelectronics industry, the fabrication process for advanced technological nodes becomes more and more cumbersome and limiting in terms of cost. The electrostatic discharges (ESD) generated by the direct environment affect the circuits and constitute an important factor for the decrease of the yield and thus result in an increase of the costs. Apart from these difficulties, there are also issues arising from the physical limits of transistor integration when reaching the nanoscale.The Silicon on Insulator (SOI) technology was developed in order to bypass this difficulty. However, the integration of ESD protections limits its emergence due to the development complexity and the protection circuit needed. The goal of this work which was a collaboration between STMicroelectronics, CEA and IMEP was to evaluate the principal characteristics of this technology for electrostatic discharge protection and propose a novel protection strategy adapted for SOI.In fact, we were able to confirm from experimental results that the buried oxide (BOX) limits the performances in terms of robustness and narrows the window of conception for the triggering of the protections. A commanded bidirectional structure was developed on PDSOI and proposed as a solution to facilitate the thermal dissipation and improve the robustness.In order to extend this solution on FDSOI technology, a detailed study on the thyristor was performed. Analysis of the 3D simulations and experimental results permitted to propose an innovative strategy for ESD protections on FDSOI.

Ces travaux s'inscrivent dans le contexte de la gestion de l'énergie électrique dans les applications domestiques 230V - 50Hz. Le niveau de puissance visé se situe aux environs de la centaine de watts, et les structures de conversion utilisent des interrupteurs bidirectionnels bicommandables réalisés aujourd'hui à l'aide d'associations anti-série de composants de type MOS. Malgré les améliorations apportées par certains de ces dispositifs, leur coût de fabrication reste encore élevé et limite leur plus large diffusion sur ce marché partagé avec le triac à ce jour. Nous proposons une architecture de structure bipolaire bidirectionnelle en courant et symétrique en tension appelée BipAC. Le BipAC est une structure verticale bidirectionnelle, contrôlable à la fermeture et à l'ouverture, réalisable sur substrat N (BipAC PNP) ou P (BipAC NPN). Sa faible chute de tension à l'état passant et sa commande ON/OFF avec une seule électrode de référence la rendent intéressante pour des applications spécifiques à faible niveau de courant (<1A). L'étude de la structure BipAC s'appuie sur des simulations physiques 2D effectuées à l'aide du logiciel SentaurusTM. Afin d'améliorer le gain en courant de la structure BipAC initiale, une nouvelle version du BipAC a été proposée et validée par des simulations physiques 2D (de type process et électrique). Ensuite, des masques sont conçus sous le logiciel CadenceTM. La structure initiale est réalisée sur les deux types de substrat et pour deux épaisseurs différentes de chaque type. La fonctionnalité du BipAC est validée par des caractérisations électriques. / This thesis work deals with the design of an AC switch structure for specific ac mains applications 230V - 50 Hz. The targeted power level is about a hundred watts, and the currently used converter circuits make use of bidirectional switches that are realized using anti-series connected MOS transistors. Despite the improvements in performance provided by some of these structures, their fabrication cost is still high and limits their widespread diffusion in a market shared with the triac. We propose a current and voltage bidirectional bipolar device called a BipAC. It can be realized in an N-substrate (PNP BipAC) or a P-substrate (NPN BipAC). It can be controlled both to turn-on and turn-off with respect to a single reference electrode. It exhibits a very low on-state voltage that makes it attractive for specific mains applications with low load current (< 1A rms). The study of the BipAC structure is carried-out using 2D SentaurusTM physical simulations. In order to improve the current gain of the initial BipAC structure, a new version of the BipAC structure is proposed and its operating modes validated using 2D physical simulations (both process and electrical). Masks were then designed under CadenceTM software. The initial BipAC structure is realized on N and P substrates and for two different thicknesses. The operating modes of the monolithic bidirectional BipAC switch were validated through electrical characterizations.

Un des principaux problèmes de notre époque concerne l'énergie électrique. Si l'industrie représente une grande part de la consommation électrique, le secteur domestique n'est pas en reste. Le secteur de l'électroménager se développe dans les pays au rythme de l'augmentation du niveau de vie des habitants. Les appareils ménagers intègrent de plus en plus des fonctions électroniques consommant aussi bien de l'énergie en mode actif qu'en mode " veille ". Dans un souci de diminuer l'énergie consommée par les appareils ménagers, il est important d'exploiter toutes les possibilités que peut fournir l'électronique pour développer de nouveaux produits à faible consommation d'énergie, tout en apportant de la valeur ajoutée en termes de protection et de réduction de coût d'un équipement ménager. Nous nous sommes focalisés sur la recherche de solution pour minimiser l'énergie de commande des interrupteurs AC de type TRIACs ou Thyristors. Nous avons analysé l'ensemble des solutions permettant de commander un TRIAC et de réduire son énergie de contrôle. A partir de ces analyses, nous avons développé une structure bidirectionnelle en courant et en tension de type TRIAC, commandée par l'intermédiaire d'une tension. La deuxième solution mise en œuvre pour réduire la consommation de commande, est d'utiliser deux thyristors sensibles (faible énergie de commande) montés en antiparallèle tout en résolvant le problème de référence avec une solution innovante. La troisième solution a été d'étudier un interrupteur bidirectionnel en courant et en tension dont l'état passant est auto-entretenu (Bistable). Enfin, nous avons quantifié le gain énergétique que l'on pouvait apporter en introduisant de l'électronique pour réduire la consommation électrique dans un réfrigérateur.

This diploma thesis is about design and realization of universal control unit of technologic processes in food-processing industry. The main goal of this work is to create a device, which will be able with respect to desired values and using measured data autunomusly regulate output. In this work was done the realization of the control unit both from hardware and software aspect. Designed control unit is able to change the output power according to measured temperature. Furthermore is able to control of 2 relays. To set up the desired values and control of relays is used PC software.

Ces travaux se sont consacrés à l’étude de l’intégration du silicium poreux au procédé de fabrication des TRIACs. Ce matériau a pour but d’optimiser les structures actuelles du point de vue de leur périphérie. Son utilisation en tant que terminaison de jonction pourrait ouvrir la voie à une diminution de la taille des puces et donc augmenter la quantité de puces par wafer. Le silicium poreux est intégré aux périphéries des TRIACs par gravure électrochimique dans du silicium faiblement dopé n (30−40 Ω.cm). Pour assurer le bon déroulement de la réaction et ce dans un cadre industriel, la technique d’injection de trous depuis une jonction p+/n est étudiée. L’influence des paramètres d’anodisation dans ces conditions est analysée. Une double couche composée de silicium macroporeux rempli de silicium mésoporeux et surmonté d’une couche de nucléation a été obtenue. Le silicium poreux est localisé dans la périphérie des TRIACs. Des mesures de tenue en tension d’une jonction p/n présentant cette terminaison à base de silicium poreux ont été évaluées et ont montrées des tenues en tension dix fois supérieures à la même structure sans silicium poreux. Toutefois, des perspectives d’amélioration sont proposées car ces résultats restent insuffisants. / The integration of porous silicon to TRIACs process is studied. The aim of this material is to optimize current structures dedicated to electrical insulation of those components namely the periphery. The use of porous silicon as junction termination could allow the increase of the number of die per wafer. Porous silicon is integrated to TRIAC peripheries by electrochemical etching in low doped n type silicon (30−40 Ω.cm). Hole injection from a p+/n junction is studied to determine the performance of the reaction as part of an industrial microelectronic process. The reaction parameters are studied in those conditions. A double layer consisting in a macroporous layer fully filled with mesoporous silicon and surmounted by a nucleation layer, is obtained. Porous silicon formation is limited to TRIAC peripheries. Voltage withstand of a p/n junction with porous silicon termination shows values ten times higher than the same structure without this insulator. Nevertheless, prospects of improvement are suggested because those results are insufficient.

Ce mémoire présente nos travaux sur la thermomigration de l'aluminium dans le silicium comme alternative à la diffusion bore pour la réalisation des murs d'isolation dans les composants de puissance bidirectionnels. Dans un premier temps, nous avons ainsi mis en évidence les limites de la diffusion du bore à l'état solide, limites dues essentiellement à son bilan thermique prohibitif. Parmi les solutions alternatives envisagées, la thermomigration de l'aluminium présente un certain nombre d'avantages parmi lesquels un bilan thermique très faible et un dopage élevé et constant. Le procédé consiste en la migration d'un alliage liquide Al/Si sous l'effet d'un gradient de température vertical avec cristallisation, dans le sillage de la goutte, d'une solution solide de silicium dopé aluminium (à 1019 at/cm3 environ). L'exigence de gradient thermique vertical impose l'utilisation d'un four de recuit rapide spécialement conçu à cet effet. L'étude expérimentale du phénomène nous a permis de mettre en évidence les problématiques "industrielles" liées au procédé et à l'équipement. Ainsi, l'utilisation nécessaire d'oxygène pendant le recuit de thermomigration perturbe très fortement le déroulement du procédé et nous avons dû apporter des réponses nouvelles à ce problème, notamment en considérant les paramètres géométriques du motif d'aluminium. De même, l'analyse approfondie des résultats obtenus sur le four de laboratoire nous a permis de donner les spécifications d'un nouveau four en vue du transfert industriel de la thermomigration. Enfin, grâce à la maîtrise relative du procédé dans son ensemble, nous avons conçu et réalisé une structure nouvelle de puissance, le thyristor sur épitaxie, dont la fonction de tenue en tension inverse a été démontrée. Même si un certain nombre de problèmes restent en suspens, les résultats obtenus au cours de cette étude sont très prometteurs en vue d'une industrialisation future du procédé.