Dans le domaine aéronautique, les systèmes électriques remplacement progressivement les systèmes de contrôle mécaniques ou hydrauliques. Les bénéfices immédiats sont la réduction de la masse embarquée et des performances accrues à condition que l’électronique supporte l’absence de système de refroidissement. Si la haute température de fonctionnement n’empêche pas d’atteindre une fiabilité suffisante, il y aura réduction des coûts opérationnels. Des étapes clefs ont été franchies en introduisant des systèmes à commande électriques dans les aéronefs en lieu et place de systèmes conventionnels : freins électriques, inverseur de poussée, vérins électriques de commandes de vol… Toutes ces avancées se sont accélérées ces dernières années grâce entre autre à l’utilisation de nouveaux matériaux semiconducteurs, dit à grand gap (SiC, GaN…), opérant à haute température et palliant ainsi une faiblesse des dispositifs classiques en silicium (Si). Des composants de puissance haute température, diode Schottky ou transistor JFET SiC, sont ainsi disponibles commercialement et peuvent supporter des ambiantes de plus de 220°C. Des modules de puissances (onduleur) à base de transistor JFET SiC ont été réalisés et validés à haute température. Finalement la partie « commande » de ces modules de puissance reste à concevoir pour les environnements sévères pour permettre leur introduction dans le module de puissance. C’est dans ce contexte de faiblesse concernant l’étage de commande rapprochée qu’a été construit le projet FNRAE COTECH, et où s’inscrivent les travaux de cette thèse, Dans un premier temps, un état de l’art sur les drivers et leurs technologies nous a permis de souligner le lien complexe entre électronique et température ainsi que le potentiel de la technologie CMOS sur Silicium sur Isolant (SOI) pour des applications hautes températures. La caractérisation en température de drivers SOI disponibles dans le commerce nous a fourni des données d’entrée sur le comportement de tels dispositifs. Ces caractérisations sont essentielles pour visualiser et interpréter l’effet de la température sur les caractéristiques du dispositif. Ces mesures mettent aussi en avant les limites pratiques des technologies employées. La partie principale de cette thèse concerne la conception et la caractérisation de blocs ou IPs pour le cœur d’un driver haute température de JFET SiC. Elle est articulée autour de deux runs SOI (TFSmart1). Les blocs développés incluent entre autres des étages de sortie et leurs buffers associés et des fonctions de protection. Les drivers ainsi constitués ont été testés sur un intervalle de température allant de -50°C à plus de 250°C sans défaillance constatée. Une fonction originale de protection des JFETs contre les courts-circuits a été démontrée. Cette fonction permet de surmonter la principale limitation de ces transistors normalement passant (Normaly-ON). Finalement, un module de bras d’onduleur a été conçu pour tester ces driver in-situ. / In aeronautics, electrical systems progressively replace mechanical and hydraulic control systems. If the electronics can stand the absence of cooling, the immediate advantages will be the reduction of mass, increased performances, admissible reliability and thus reduction of costs. In aircraft, some important steps have already been performed successfully when substituting standard systems by electrical control system such as electrical brakes, thrust reverser, electrical actuators for flight control… Large band gap semiconductors (SiC, GaN…) have eased the operation in high temperature over the last decade and let overcome a weakness of conventional silicon systems (Si). High temperature power components such as Schottky diodes or JFET transistors, are already commercially available for a use up to 220°C, limited by package. Moreover inverters based on SiC JFET transistors have been realized and characterized at high temperature. Finally the control part of these power systems needs to be designed for harsh environment. It is in this context of lack of integrated control part that the FNRAE COTECH project and my doctoral research have been built. Based on a state of the art about drivers, the complex link between electronic and temperature and the potentialities of CMOS Silicon-On-Insulator technology (SOI) for high temperature applications have been underlined. The characterization of commercial SOI drivers gives essential data on these systems and their behavior at high temperature. These measurements also highlight the practical limitations of SOI technologies. The main part of this manuscript concerns the design and characterization of functions or IPs for high temperature JFET SiC driver. Two SOI runs in TFSmart1 have been realized. The developed functions include the driver output stage, associated buffers and protection functions. The drivers have been tested from -50°C up to 250°C without failure under short time-range. Moreover, an original protection function has been demonstrated against the short-circuit of an inverter leg. This function allows overcoming the main limitation of the normally on JFET transistor. Finally, an inverter module has been built for in-situ test of these new drivers.

Les substrats Silicium-sur-Isolant (SOI) représentent la meilleure solution pour obtenir des dispositifs microélectroniques ayant de hautes performances. Des méthodes de caractérisation électrique sont nécessaires pour contrôler la qualité SOI avant la réalisation complète de transistors. La configuration classique utilisée pour les mesures du SOI est le pseudo-MOFSET. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur l'amélioration des techniques autour du Ψ-MOFSET, pour la caractérisation des plaques SOI et III-V. Le protocole expérimental de mesures statiques ID-VG a été amélioré par l'utilisation d'un contact par le vide en face arrière, permettant ainsi d'augmenter la stabilité des mesures. De plus, il a été prouvé que ce contact est essentiel pour obtenir des valeurs correctes de capacité avec les méthodes split-CV et quasi-statique. L'extraction des valeurs de Dit avec split-CV a été explorée, et un model physique nous a permis de démontrer que ceci n'est pas possible pour des échantillons SOI typiquement utilisés, à cause de la constante de temps reliée à la formation du canal. Cette limitation a été résolue un effectuant des mesures de capacité quasi-statique (QSCV). La signature des Dit a été mise en évidence expérimentalement et expliquée physiquement. Dans le cas d'échantillons passivés, les mesures QSCV sont plus sensibles à l'interface silicium-BOX. Pour les échantillons non passivés, un grand pic dû à des défauts d'interface apparait pour des valeurs d'énergie bien identifiées et correspondant aux défauts à l'interface film de silicium-oxyde natif. Nous présentons des mesures de bruit à basses fréquences, ainsi qu'un model physique démontrant que le signal émerge de régions localisées autour des contacts source et drain. / Silicon-on-insulator (SOI) substrates represent the best solution to achieve high performance devices. Electrical characterization methods are required to monitor the material quality before full transistor fabrication. The classical configuration used for SOI measurements is the pseudo-MOSFET. In this thesis, we focused on the enrichment of techniques in Ψ-MOSFET for the characterization of bare SOI and III-V wafers. The experimental setup for static ID-VG was improved using a vacuum contact for the back gate, increasing the measurement stability. Furthermore, this contact proved to be critical for achieving correct capacitance values with split-CV and quasi-static techniques (QSCV). We addressed the possibility to extract Dit values from split-CV and we demonstrated by modeling that it is impossible in typical sized SOI samples because of the time constant associated to the channel formation. The limitation was solved performing QSCV measurements. Dit signature was experimentally evidenced and physically described. Several SOI structures (thick and ultra-thin silicon films and BOX) were characterized. In case of passivated samples, the QSCV is mostly sensitive to the silicon film-BOX interface. In non-passivated wafers, a large defect related peak appears at constant energy value, independently of the film thickness; it is associated to the native oxide present on the silicon surface. For low-frequency noise measurements, a physical model proved that the signal arises from localized regions surrounding the source and drain contacts.

Au vu des limitations rencontrées par la miniaturisation des circuits microélectroniques, l’augmentation de performances des systèmes repose largement aujourd’hui sur la fabrication d’empilements de couches minces complexes et innovants pour offrir davantage de compacité et de flexibilité. L’intérêt grandissant pour la réalisation de structures innovantes temporaires, i.e. permettant de réaliser des circuits sur les deux faces d’un même film, nous a mené à évaluer les potentialités d’une technologie combinant le transfert de films minces monocristallins, i.e. la technologie Smart Cut™, et un procédé de de porosification partielle du silicium afin de mettre au point une technologie de double report de film monocristallin. En ce sens, des substrats de silicium monocristallin ont été partiellement porosifiés par anodisation électrochimique. La mise en œuvre de traitements de substrats partiellement poreux a nécessité l’emploi de techniques de caractérisation variées pour dresser une fiche d’identité des couches minces poreuses après anodisation et évaluer l’évolution des propriétés de ces couches en fonction des différents traitements appliqués. Les propriétés chimiques, structurales et mécaniques des couches de Si poreux ont ainsi été étudiées via l’utilisation de différentes techniques de caractérisation (XPS-SIMS, AFM-MEB-XRD, nanoindentation, technique d’insertion de lame, etc.). Ces études ont permis d’appréhender et de décrire les mécanismes physiques mis au jeu au cours des différents traitements et de déterminer les caractéristiques {porosité, épaisseur} optimales des couches poreuses compatibles avec les séquences de la technologie proposée. La technologie Smart Cut™ a ainsi été appliquée à des substrats partiellement porosifiés menant à la fabrication réussie d’une structure temporaire de type Silicium-sur-Isolant avec une couche de silicium poreux enterrée. Ces structures temporaires ont été « démontées » dans un second temps par collage polymère ou collage direct et insertion de lame menant au second report de film mince monocristallin par rupture au sein de la couche porosifiée et donc fragile. Les structures fabriquées ont été caractérisées pour vérifier leur intégrité et leurs stabilités chimique et mécanique. Les propriétés cristallines du film mince de Si monocristallin, reporté en deux temps, ont été vérifiées confirmant ainsi la compatibilité des structures fabriquées avec des applications microélectroniques telles que les applications de type « Back-Side Imager » nécessitant une implémentation de composants sur les deux faces du film. Ainsi une technologie prometteuse et performante a pu être élaborée permettant le double report de films minces monocristallins et à fort potentiel pour des applications variées comme les imageurs visibles ou le photovoltaïque. / As scaling of microelectronic devices is confronted from now to fundamental limits, improving microelectronic systems performances is largely based nowadays on complex and innovative stack realization to offer more compaction and flexibility to structures. Growing interest in the fabrication of innovative temporary structures, allowing for example double sided layer processing, lead us to investigate the capability to combine one technology of thin single crystalline layer transfer, i.e. the Smart Cut™ technology, and partial porosification of silicon substrate in order to develop an original double layer transfer technology of thin single crystalline silicon film. To this purpose, single crystalline silicon substrates were first partially porosified by electrochemical anodization. Application of suitable treatments of porous silicon layer has required the use of several characterization methods to identify intrinsic porous silicon properties after anodization and to verify their evolution as function of different applied treatments. Chemical, structural and mechanical properties of porous silicon layers were studied by using different characterization techniques (XPS-SIMS, AFM-MEB-XRD, nanoindentation, razor blade insertion, etc.). Such studies allowed comprehending and describing physical mechanisms occurring during each applied technological steps and well determining appropriated {porosity, thickness} parameters of porous silicon layer with the developed technological process flow. The Smart Cut™ technology was successfully applied to partially porosified silicon substrates leading to the fabrication of temporary SOI-like structures with a weak embedded porous Si layer. Such structures were then “dismantled” thanks to a second polymer or direct bonding and razor blade insertion to produce a mechanical rupture through the fragile embedded porous silicon layer and to get the second thin silicon film transfer. Each fabricated structure was characterized step by step to check its integrity and its chemical and mechanical stabilities. Crystalline properties of the double transferred silicon layer were verified demonstrating the compatibility of such structures with microelectronic applications such as “Back-Side Imagers” needing double-sided layer processing. Eventually, a promising and efficient technology has been developed to allow the double transfer of thin single crystalline silicon layer which presents a high potential for various applications such as visible imagers or photovoltaic systems.

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.