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>

Ce travail de thèse est consacré à la conception et à la fabrication de diodes JBS en carbure de silicium. Une première partie de ce travail a consisté à concevoir par simulation une protection périphérique de la diode la plus efficace possible en réduisant sa sensibilité à la technologie (charges dans l’oxyde et activation des dopants). L’impact de la géométrie de l’anode de la diode JBS sur le champ électrique maximum sous le contact Schottky en inverse et la résistance série de la diode à l’état passant a été étudié. Une nouvelle architecture de diode JBS, à base de tranchées implantées, a été proposée pour pallier les limitations liées aux faibles profondeurs d’implantation d’Al. Une deuxième partie de ce travail a concerné le développement de briques technologiques, indispensables à la fabrication de la diode JBS, tels que les contacts métalliques et la gravure. Enfin, la fabrication complète et la caractérisation électrique de diodes ont été réalisées afin de valider les éléments de conception et l’intégration des briques technologiques développées durant cette thèse. / This study was dedicated to the design and to the fabrication of SiC JBS diodes. The first part of this work includes the design of robust efficient edge termination of the diode with special care to its technology sensitivity. The impact of anode layout of JBS diode on the maximum electric field under Schottky contact and on the on-state resistance has been investigated. A new structure of JBS diode, trenched and implanted, has been proposed to overcome the low Al implantation depth. A second part of this work has been focused on the development of technological steps required for the fabrication of JBS diodes such as metal contact and SiC etching. Finally, full fabrication and electrical characterization of diodes have been carried out in order to validate the design and the integration of technological steps developed during this thesis work.

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.

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.