Des années 50 à nos jours, la propulsion électrique n'a cessé d'évoluer afin de s'imposer dans le domaine de la propulsion spatiale. Les Propulseurs à effet Hall (PEH) sont principalement utilisés pour des missions de correction de trajectoire ou de maintien en orbite des satellites. Ils délivrent des faisceaux d'ions à forte densité de courant et à faible énergie, ce qui en font de bons candidats potentiels pour d'autres applications comme la microélectronique ou encore les traitements de surfaces. Le xénon est l'ergol le plus utilisé en raison de sa masse élevée et de son faible énergie d'ionisation. Cependant son coût élevé et la difficulté d’approvisionnement motivent la recherche d'alternatives pour le fonctionnement des MEH. C'est dans ce cadre que cette thèse s'est inscrite avec l'idée d'un développement d'une source de faible puissance fonctionnelle en argon. L'amorçage d'une telle décharge n'étant pas immédiat, une démarche progressive qui passe par des décharges de mélange de gaz a été adoptée. Les décharges Xe-Ar se sont révélées très intéressantes pour la compréhension des mécanismes physiques qui régissent les PEH. La caractérisation en vitesse des ions Xe II (par Fluorescence Induite par Laser) associée à l'analyse en énergie par RPA a permis de remonter à des informations utiles sur les zones d'ionisation et d'accélération. Une technique originale de résolution temporelle du RPA basée sur une interruption rapide de la décharge ou sur les oscillations naturelles du courant de décharge, a été développée et a permis l'identification et la quantification des différentes espèces présentes dans le jet d'ions. Grâce aux résultats de l'étude paramétrique des décharges de mélange Xe-Ar, une décharge d'argon pur a pu être amorcée et caractérisée pour la première fois dans un PEH de faible puissance. / Since the 50s, electric propulsion has improved in order to establish itself on space propulsion field. The Hall Effect Thruster (HET) are mainly used for trajectory correction or satellites orbit maintaining. The HET provide high current densities and low energy ion beam that making it a good candidate for other applications such as microelectronics or surface treatments. Xenon propellant is most commonly used due to its high atomic mass and its low ionization energy. However, the high cost and difficult supply of xenon, leads to looking for alternative propellant for HET operation. In this context, this PhD thesis had as goal the development of a functional Argon low power source. Argon discharge ignition is not immediate, that why a progressive approach which involves gas mixture discharges was adopted. The Xe-Ar discharge gives very interesting results for the understanding of physical mechanisms governing HET. The characterization of Xe II ions velocity (Laser Induced Fluorescence) associated to the energy analysis by RPA have provided access to useful information on ionization and acceleration areas. An original time resolved RPA technique, based on an ultra-fast discharge interruption or on the discharge current oscillations, has been developed. This technique allows the identification and the quantification of different species present in the ion beam. Thanks to the discharge Xe-Ar study, a pure argon discharge could be initiated and characterized for the first time in a low power HET.

Ce manuscrit est une contribution à l’étude de la fiabilité et de la robustesse des composants MOSFET sur carbure de silicium, matériau semi-conducteur grand gap qui possède des caractéristiques bien meilleures que le silicium. Ces nouveaux interrupteurs de puissances permettent d’obtenir entre autres propriétés remarquables, des fréquences de commutations et des tenues en tension plus élevées dans les systèmes de conversions de puissance. Ils sont particulièrement mis en avant depuis un peu plus d’une dizaine d’années pour les gains en performances, diminution des tailles et poids qu’ils apportent à certaines topologies de convertisseurs pour les réseaux haute tension à courant continu. Puis sont répertoriés les principaux mécanismes de défaillances de ces MOSFET SiC induits par la faiblesse de la grille. Toutes les mesures nécessaires au suivi des paramètres clés lors des prochains vieillissements sont présentées. Les résultats de nos tests sur l’instabilité de la tension de seuil sont aussi détaillés et un modèle empirique pour valider le comportement de relaxation observé est proposé. Celui-ci nous aidera par la suite à établir un protocole de mesure rigoureux de la tension de seuil. Les tests expérimentaux et résultats de vieillissement en statique et dynamique sur les composants 1,7 kV vont permettre de se rendre compte de l’importance de la dérive de la tension de seuil sur 1000 h. Dans le cas d’un vieillissement statique, il y a environ 7 % de dérive positive du VTH et un pourcentage équivalent pour les tests dynamiques. Des analyses supplémentaires (C-V et pompage de charge) sur l’oxyde de grille en cours de vieillissement sont proposées pour une meilleure compréhension des mécanismes mis en jeu dans la dégradation de l’oxyde. Enfin, les derniers tests présentés seront focalisés sur le comportement en court-circuit et courts-circuits répétitifs des mêmes composants. Avec une énergie critique évaluée autour de 1,5 J nos tests sur les MOSFET 1,7 kV montrent les limites de la robustesse de ces composants, avec une tenue en court-circuit bien inférieure à 10 µs et une incapacité à résister à plus de 150 courts-circuits successifs. L’influence de la tension entre drain et source y est notamment étudiée, et montre que l’énergie critique supportée par le composant diminue avec l’augmentation de cette tension. / This manuscript is a contribution to reliability and robustness study of MOSFET components on silicon carbide “SiC”, wide band gap semiconductor with better characteristics compared to silicon “Si” material. Those new power switches can provide better switching frequencies or voltage withstanding for example in power converter. SiC MOSFET are the results of approximately 10 years of research and development and can provide increased performances and weight to some converter topology for high voltage direct current networks. Others power switches available are still introduced and an introduction to reliability is explaining why such work on this new power switches is important. Transition from Si technologies to SiC ones require a lot of work regarding its robustness. Before showing reliability and robustness results is presented I give a lot of details regarding to the measurement and monitoring of key parameters used in the next chapters. The results of our tests on the threshold voltage instability are presented and how we validated an empirical model on this drift. This was used to propose an enhanced measurement protocol on the threshold voltage. Static and dynamic experimental results presented next will show if the voltage drift during ageing is significant or not. Further analysis is proposed to add more insight on the understanding of the oxide degradation mechanisms through C-V and charge pumping measurements. Finally, the ageing results presented on 1,7 kV SiC MOSFET are focused on the short-circuit and repetitive short-circuit behavior of the same components. Drain to source voltage influence on critical energy during this particular and stressful operation mode is studied. This time, the results are worrying.The last chapter is confidential.

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.

La thèse intitulée "Conception, caractérisation et optimisation d’un transistor à effet de champ haute tension en Carbure de Silicium (SiC) et de leur diode associée", s’est déroulée au sein du laboratoire AMPERE sous la direction du Prof. D. PLANSON. Des premiers démonstrateurs de JFET ont été réalisés. Le blocage du JFET n'est pas efficace, ceci étant lié aux difficultés de réalisation technologique. Le premier travail a consisté en leur caractérisation précise puis en leur simulation, en tenant compte des erreurs de processus de fabrication. Ensuite, un nouveau masque a été dessiné en tenant en compte des problèmes technologiques identifiés. Les performances électriques de la nouvelle génération du composant ont ainsi démontré une amélioration importante au niveau de la tenue en tension. Dans le même temps, de nouveaux problèmes se sont révélés, qu’il sera nécessaire de résoudre dans le cadre de travaux futurs. Par ailleurs, les aspects de tenue en court-circuit des JFETs en SiC commercialement disponibles ont été étudiés finement. Les simulations électrothermiques par TCAD ont révélé les modes de défaillances. Ceci a permis d'établir finalement des modèles physiques valables pour les JFETs en SiC. / Silicon carbide (SiC) has higher critical electric field for breakdown and lower intrinsic carrier concentration than silicon, which are very attractive for high power and high temperature power electric applications. In this thesis, a new 3.3kV/20A SiC-4H JFET is designed and fabricated for motor drive (330kW). This breakdown voltage is beyond the state of art of the commercial unipolar SiC devices. The first characterization shows that the breakdown voltage is lower (2.5kV) than its theoretical value. Also the on-state resistance is more important than expected. By means of finite element simulation the origins of the failure are identified and then verified by optical analysis. Hence, a new layout is designed followed by a new generation of SiC-4H JFET is fabricated. Test results show the 3.3kV JFET is developed successfully. Meanwhile, the electro-thermal mechanism in the SiC JFETs under short circuit is studied by means of TCAD simulation. The commercial 1200V SIT (USCi) and LV-JFET (Infineon) are used as sample. A hotspot inside the structures is observed. And the impact the bulk thickness and the canal doping on the short circuit capability of the devices are shown. The physical models validated by this study will be used on our 3.3kV once it is packaged.