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État de l’art et évolution des dispositifs semiconducteurs de
puissance pour une meilleure gestion de l’énergie électrique
J-L Sanchez, Frédéric Morancho
LAAS-CNRS
Patrick Austin, Marie Breil,Abdelhakim Bourennane, Magali Brunet, Karine Isoird,Henri Schneider
2
`Plan
•Introduction
•Composants de puissance unipolaires: MOSFETs–Dispositifs conventionnels « limite du silicium »–Nouveaux concepts : Superjonction et ilôts flottants–Limites des performances de ces nouveaux composants
•Compoants MOS/bipolaires: IGBTs–Nouvelles architectures –IGBT « faibles pertes » –Intégration IGBT-diode–IGBT Bidirectionnels
–Limites des performances des IGBT
•Composants de puissance grand gap–Propriétés des semiconducteurs grand gap –Comparaison des limites des performances–SiC, GaN, Diamant: tendances pour le futur
•Conclusion
3
• Introduction
• Composants de puissance unipolaires: MOSFETs– Dispositifs conventionnels « limite du silicium »– Nouveaux concepts : Superjonction et ilôts flottants– Limites des performances de ces nouveaux composants
• Compoants MOS/bipolaires: IGBTs– Nouvelles architectures– IGBT « faibles pertes »– Intégration IGBT-diode– IGBT Bidirectionnels
– Limites des performances des IGBT
• Composants de puissance grand gap– Propriétés des semiconducteurs grand gap– Comparaison des limites des performances– SiC, GaN, Diamant: tendances pour le futur
• Conclusion
Plan
4
Contexte
• Forte croissance de la demande d’énergie électrique.
• Aujourdhui l’énergie électrique représente 25% de la demande d’énergie finale et sacroissance sera de 60% jusqu’à 2040.
•L’énergie électrique sera présente dans de nombreuses applications.
• Le marché des Semiconducteurs de puissance est estimé à 50 billions de dollars en 2010.
010203040506070
1980 2000 2020 2040
Power electrical consumption (Trillion kWh) Population (Billion)
5
Electronique portable…automobile ..…transport ferroviaire
10
50
100 600 3500
HPM
IPMet ASIPM
Integration fonctionelle
applications industrielles
Applications industrielles Traction ferroviare
Applications domestiques et automobile)
Smart Power
(automobile2
Microconvertisseur
Equipement portables)
100
2500
I (A)
V (V)1200
system integration
Domaines applicatifs
6
Besoins composants pour le véhiculeélectrique
Basse tension (<100V)Forts courants
Haute tension (600V- 1200V)Forts courants
Composants
8
Les éléments passifsL, C, Transformateur
Semiconducteurs et refroidisseur
Structure d’une cellule IGBT
Véhicule électrique
9
To Cathode
Vcc
signal
Anode
To Anode
Gate 2
equivalent circuit
Proposeddevicebidirectional
Gate 1
Th4
Th3
Th2
Th1
R6
D3
To gate 2
M2
R4
Q2
R5D4
R3
Q1
R2D2
D1
R1
M1
To gate 1
Vcc
controlGate 1
Cathode
Gate 2controlsignal
Gate driver power supply
ControlProtections
Sensors(T, motion,
occupancy…)
CentralisedControl
Energy micro-source
RF MEMS
SmartPower
RF MEMsGalvanicinsulation
Exemple de l’habitat
10
V I
V
t
I
t
V
t
I
t
I
V
I
V
AmBl
I
V
Am I
V
Bl
V
IBl
I
V
Am
I
V
AmBl
I
V
AmBl
I
V
Am
Am
I
V
Bl
Bl
I
V
BlAm
BlAm
Les dispositifs semiconducteursde puissance jouent le rôle d’interrupteur dans les convertisseurs d’énergie électrique.
Les fonctions interrupteurs pourla conversion d’énergie
11
• Amélioration des performances:
BVdss: tension de claquage
RON.S (or VON): résistance à l’état passant (pertes en conduction)
Fréquence de fontionnement: pertes en commutation
Température de fonctionnement
Tenue en court-circuit
Tenue en énergie
CEM
• Amélioration des fonctionnalités:
Bidirectionnalité en courant et/ou en tension
Isolation galvanique
Ouvert Passant
Tension de claquage(BVdss) Résistance à ‘état passant (RON.S)
L’interrupteur de puissance
12
E
x
N- P+
x
EN- P+N+
Tenue entension
Région large et peu dopée
Non limitation de charge d ’espace
Limitation de charge d ’espace
- 1 - Etat bloqué
P+ N-
P+
V>0
L’interrupteur de puissance
13
P+ ou N+P+ ou N+
Concentration de porteurs
xN-VDMOS
IGBT
Thyristor
TMOS: pas d’injection de porteurs minoritairesChute de tension directe fixée par les porteurs majoritaires
IGBT: 1 jonction injecte des porteurs minoritairesModulation de la conductivité Réduction de la chute de tension
Thyristor: 2 jonctions injectent des porteurs minoritairesTrès faible chute de tension
- 2 - Etat passant
L’interrupteur de puissance
Composants unipolaires
Composants bipolaires
+ concentration de porteurs minoritaires
+ Chute de tension
14
x
Concentration de porteurs
Concentration de porteurs
Thyristorx
IGBT
IGBT, thyristors: injection de porteurs minoritairesTemps de commutation à l’ouverture plus élevé
TMOS: uniquement porteurs majoritairesTemps de commutation à l’ouverture faible
+ concentration de porteurs minoritaires
+ temps de commutationà l ’ouverture
Composants unipolaires
L’interrupteur de puissance
- 3 - Commutation
Composants bipolaires
15
Composants unipolaires et bipolaires
Composants unipolaires (MOSFET, Schottky diode,…)
Composants bipolaires(PN diode, bipolar transistor, IGBT,…)
- Augmentation de la résistance à l’état passant avec la
tenue en tension
- Augmentation des pertes en conduction avec la
tenue en tension
- Faibles pertes en commutation
- Fréquence de commutation élevée
- La résistance à l’état passant ne dépend pas( ou peu)
de la tenue en tension (modulation de conductivité)
- Faibles pertes en conduction
- Pertes en commutation élevées
- Fréquence de commutation faible
P+
PPN+P+ N+
N- epitaxial layer
N+ substrate
Drain
Source Gate
VDMOSFET
- - - ----
-
----
-----
--
-
----
P+
PPN+P+ N+
N- epitaxial layer
P+ substrate
Anode
Cathode Gate
IGBT
- - - ----
-
----
-----
--
-
----
++++++
++
++++++
++Modulation de
la conductivité
16
Gammes d’utilisation des composants depuissance
Domaines d’utilisation en 1997 Domaines d’utilisation en, 2005
De Silicon Limit Electrical Characteristics of Power Devices and Ics, A. Nakagawa, Y. Kawaguchi, K. Nakamura, ISPS’08, Invited paper
Les composants à grille MOS sont utilisés dans de nombreux champs
applicatifs
- LDMOSFETs dans les circuits intégrés de puissance
- Vertical MOSFETs, pour les applications faibles et moyennes puissance
- IGBTs pour les applications forte puissance
17
Plan
•Introduction
•Composants de puissance unipolaires: MOSFETs–Dispositifs conventionnels « limite du silicium »–Nouveaux concepts : Superjonction et ilôts flottants–Limites des performances de ces nouveaux composants
•Compoants MOS/bipolaires: IGBTs–Nouvelles architectures –IGBT « faibles pertes » –Intégration IGBT-diode–IGBT Bidirectionnels
–Limites des performances des IGBT
•Composants de puissance grand gap–Propriétés des semiconducteurs grand gap –Comparaison des limites des performances–SiC, GaN, Diamant: tendances pour le futur
•Conclusion
18
Composants de puissance unipolaires:MOSFETs
Transistors VDMOS de puissance conventionnels
“Ron.S / BVDSS” compromis < “limite du silicium”
• Etat OFF: La tension de claquage (BVdss) dépend de ND et H
• Etat ON: La résistance spécifique à l’état passant (Ron.S) dépends aussi de ND et H
P+
PPN+P+ N+
N+ substrate
Drain
SourceGate
Ra
Rd
Rch
Rsub
H
Id Id
VDMOSFET
N- epitaxial layer (ND)
P
N+N+
Gate
Racc RdRchP+
N buried layer
H
Id
Source Drain
LDMOSFET
N- epitaxial layer (ND)
P+ substrate
Limite conventionnelle du silicium: RON.S = 8.9×10 -9x(BVdss)2.4 (Ω.cm2)
19
Nouveaux concepts
FLI-diode
Anode
Cathode
P
N+
P
P
N-
Superjunction
Anode
Cathode
P
N
N+
N NP P P H
WP WNy
z
P
N-
N+
Anode
Cathode
U-diode
Anode
Cathode
P
N+
N- Dielectric
Répartition 3Ddu champ électrique
20
Concept de « Superjunction »
PRINCIPE : balance des charges entre les régions P et et N: NA.WP = ND.WN)(par exemple : NA = ND et WN = WP = W << H)
- dépeuplement latéral: EyMAX < EC- Après le dépeuplement latéral: Vds = Ez .H
BVdss = EC.H
P+
PP
N+P+ N+
N+ substrate
Drain
SourceGate
W
N
W/2 W/2
Première application: COOLMOS™ d’Infineon
IdId
Anode
Cathode
P
N
N+
N NP P P H
WP WNy
z
21
MOSFETs à Superjonction
€
RON . S Ω.cm 2( ) =1.98×10−1 ×W54 × BVdss
Nouvelles limites pour les MOSFETs verticaux:
Multiple epitaxies(Infineon, STMicroelectronics) Deep trench etching and filling with
epitaxial layers (Fuji Electric)
Deep trench etching, implantation /diffusion then filling with a dielectric
(NXP, LAAS)
22
MOSFET superjonction à tranchée profonde
Base cell Edge cell(termination)
Etapes technologique critiques:
• Gravure ionique réactive profonde(DRIE)
• Diffusion bore à travers l’oxyde
• Remplisage des tranchées avec BCB (BenzoCycloButene)
• CMP de surface
51507RON.S (mΩ.cm2)
DT-SJMOSFETVDMOSFET
conventionnel
23
6.25 6.25 µµmm
100 100 µµmm
6.18 6.18 µµmm
1. DRIE 2. Remplissage avec BCB (BenzoCycloButene)
BCB SiSi
100 100 µµmm
70 70 µµmm
BCB SiSi
3. Tranchées centrale et terminaison après CMP du BCB
MOSFET superjonction à tranchée
Réalisation LAAS
24
X
0
EC
W
Emax1P
N-
N+
P+
PPN+P+ N+
N- epitaxial layer
N+ substrate
Drain
SourceGate
VDMOS
Source
P
P+
PPN+P+ N+
N- epitaxial layer
N+ substrate
Drain
Gate
FLYMOS
Floating islands
P
VDMOSFLYMOS
Concept des ilôts flottants
TM
Amélioration de la tenue en tension (BVdss) :
Nepi (VDMOS) = Nepi (FLYMOS) RON (VDMOS) ≈ RON (FLYMOS)
BVdss (VDMOS) < BVdss (FLYMOS)Ou bien
Réduction resistance à l’état passant (RON) :
BVdss VDMOS = BVdss FLYMOS Nepi (VDMOS) < Nepi (FLYMOS) RON (VDMOS) > RON (FLYMOS)
25
Première réalisation deFLYMOSFETs (BVdss = 80 V) 1rst N- épitaxy
2nd N- épitaxy
source metallization
gate polysilicon
P-buried floating island
N+ substrate(drain)
Amélioration de RON.S de 33% par rapport à un 80 VDMOSFET conventionnel
€
RON . S Ω.cm 2( ) =1.78×10−8 × BVdss( )2.4 × n +1( )−1.4 (n = nombre d’ilots)
FLYMOSFETs 200 V avec deux niveauxd’ilôts
(première mondiale)
Meilleure performance (en terme of RON.Qgd) pour BVdss = 200 V
TM
Nouvelle limite:
MOSFETs à ilôts flottants
Réalisation Freescale-LAAS
Réalisation Freescale-LAAS
26
Autres dispositifs « Ilots flottants »
500 V Floating Islands MOSFET and itstermination (University of Chengdu, China)
300 V Floating Islands Schottky diodeand its termination (Toshiba)
80 V Floating Islands Trench MOSFET - FITMOS - (Toyota)
27
Limite des performances statiques desTransistors MOS de puissance avec les
nouveaux conceptsLimite conventionnelle du silicium:
RON.S = 8.9×10 -9x(BVdss)2.4 (Ω.cm2)
Superjonctions :
RON.S = 1.98×10-1xW5/4x(BVdss) (Ω.cm2)
Ilots flottants:
RON.S = 1.78x10-8x(BVdss)2.4x(n+1)-1.4 (Ω.cm2)
W = largeur des couches P and N des Superjonctionsn = nombre d’ilots des FLYMOSFETs
Supériorité des superjonctions pour les hautes tension (> 600 V)• compétition “FLYMOSFET/Superjunction MOSFET” dans la gamme moyenne tension (200à 600 V)• supériorité des FLYMOSFET dans la gamme basse tension(< 200 V)
0.001
0.01
0.1
1
10
100
1000
10 100 1000 104
Conventional silicon limit
Floating Islands device limits
Superjunction devices limitsSpec
ific
on-re
sist
ance
RO
N.S (m
Ω.c
m2 )
Breakdown voltage BVdss
(V)
W = 6 µmW = 4 µm
W = 2 µm
n = 01 2 3
0.001
0.01
0.1
1
10
100
1000
10 100 1000 104
Conventional silicon limitFloating Islands device limitsSuperjunction devices limitsFLYMOSFET (200 V)
DT-SJMOSFETFLYMOSFET (80V)
Other SJ DevicesSpec
ific
on-re
sist
ance
RO
N.S (m
Ω.c
m2 )
Breakdown voltage BVdss
(V)
W = 6 µmW = 4 µm
W = 2 µm
n = 01 2 3
28
Plan
•Introduction
•Composants de puissance unipolaires: MOSFETs–Dispositifs conventionnels « limite du silicium »–Nouveaux concepts : Superjonction et ilôts flottants–Limites des performances de ces nouveaux composants
•Compoants MOS/bipolaires: IGBTs–Nouvelles architectures –IGBT « faibles pertes » –Intégration IGBT-diode–IGBT Bidirectionnels
–Limites des performances des IGBT
•Composants de puissance grand gap–Propriétés des semiconducteurs grand gap –Comparaison des limites des performances–SiC, GaN, Diamant: tendances pour le futur
•Conclusion
29
Amélioration du profil de porteur du côté émetteur:Objectif : améliorer le Von sans pour autant augmenter le Eoff
Contrôle de l’injection et enrichissement
Optimisation de l’efficacité d’injection de la jonction P+/N- face arrière.Objectif: atteindre un bon compromis Eon, Eoff.
J. Vobecky_, M. Rahimo, A. Kopta, S. LinderABB Switzerland Ltd, Semiconductors, Fabrikstrasse 3, CH - 5600 Lenzburg, Switzerland, ISPSD 08, Orlando
30
J. Vobecky_, M. Rahimo, A. Kopta, S. LinderABB Switzerland Ltd, Semiconductors, Fabrikstrasse 3, CH - 5600 Lenzburg, Switzerland, ISPSD 08, Orlando
Contrôle de l’injection
31
IGBT faible perte
Objectif: optimiser le compromis « pertes en conduction / pertes en commutation»avec une association parallèle de 2 IGBTs :
-IGBT rapide: VON élevé et faibles pertes en commutation
-IGBT lent: faible VON et pertes en commutation élevées +- 600 V
Pulse
5 Ohms
50 A
IGBT
Pulse
5 OhmsIGBT
Fast IGBT Slow IGBT
Commande de grille
t1t0
Vg
Vg IGBT lent
Vg IGBT rapide
-10
0
10
20
30
40
50
60
420 440 460 480 500 520
IGBT rapideIGBT lent
Cou
rant
Ano
de (
Am
père
s)
Temps (us)
Ano
de c
urre
nt (
A)
Time (µs)Répartition du courant d’anode
32
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
100 1000
IGBT 1IGBT 2Configuration 1Configuration 2Configuration 3
Pert
es e
n én
ergi
e (J
oule
s)
Fréquence (Hz)
IGBT 1: rapideIGBT 2: lent
Configuration 1: s IGBT lent // IGBT lent Configuration 2: IGBT rapide // IGBT rapide
Configuration 3: IGBT lent // IGBT rapide
Ene
rgy
loss
es (
J)
Frequency (Hz)
IGBT lent:P+ Anode
(CS = 3.1019 cm-3 ; Xj = 7 µm)
IGBT rapide:Semi-transparent anode
(CS = 1017 cm-3 ; Xj = 0,3 µm)
Cathode« slow »
Cathode« fast »
Gate« slow »
Gate« fast »
IGBT faible perte
33
Nano IGBT ?
Du micro au nano
Limites des IGBT
Akio Nakagawa Silicon limit electrical characteristics of power devices, ISPS’08
34
Intégration IGBT: diode
IGBT à conduction inverse (RC-IGBT)
Caractéristiques à l’état ONRC-IGBT
RC-IGBT courantinverse de recouvrement et contrôle de la
commande grille
from A High Current 3300V Module Employing Reverse Conducting IGBTs Setting a New Benchmark in Output Power Capability,M. Rahimo et al, ABB Switzerland Ltd Semiconductors ISPSD’08, pp. 68-71.
35
IL
V>0 V<0
V
T’1 T1
T2 T’2
a)
D1 D’1
D’2 D2
V<0 V>0
IL
V
b)
Upper side
Lower side
(b) Anode N+ diffusions in two basic IGBT cells
N+1 N+
1 P+
1
P+2
N-
N+2 N+
2 N+2 N+
2
P+2 P+
2
LN+ LP+
P2 P2 P2 P2
IGBT ou IGBT + diode ?Première étape vers l’interrupteur bidirectionnel (LAAS)
36
IGBT Bidirectionnel
VG2
P+
N+ N+
P+ P+
N-
Anode
Cathode CathodeGate1
N+N+
P+
Gate2
P+
Intégrationmonolithique
Technique de wafer bonding technique ou lithographie double face
ANR MOBIDIC
37
-25-20-15-10-505101520
0 0,00002 0,00004 0,00006 0,00008 0,0001
VG1E
VG2E
-10
10
30
50
70
90
110
4,50E-05 4,70E-05 4,90E-05 5,10E-05 5,30E-05 5,50E-05
0
5
10
15
20
IC (
A)
VG1
E (
V)
Temps (_s)
Courant IC et tension VG1E à l’ouverture
____ Bidirectionnelle---- Unidirectionnelle
-1,00E+001
1,00E+001
3,00E+001
5,00E+001
7,00E+001
9,00E+001
1,10E+002
0,000047 0,000049 0,000051 0,000053 0,000055
0
5
10
15
20
IC (
A)
VG1
E (
V)
Temps (_s)
Courant IC et tension VG1E à l’ouverture
____ VG2E = 15 V---- VG2E = 0 V
0,003
0,0035
0,004
0,0045
0,005
0,0055
0,006
0,0065
0 0,5 1 4 8 11 20
0,007
0,0075
0,008
0,0085
0,009
td (_s)
Eoff
(
J)
Eon
(J)
Pertes en conduction et à l’ouverture en fonctiondu délai de la fermeture de la grille2
Amélioration des pertes
IGBT Bidirectionnel
38
Limite des performances statiques desIGBTs
0.001
0.01
0.1
1
10
100
1000
10 100 1000 104
Conventional silicon limit
Floating Islands devices limits
Superjunction devices limits
IGBT limitSpec
ific
on-re
sist
ance
RO
N.S (m
Ω.c
m2 )
Breakdown voltage BVdss
(V)
W = 6 µmW = 4 µm
W = 2 µm
n = 01 2 3
Haute tension (> 1 kV): L’IGBT est le meilleurdispositif, le SJMOSFET présente les mêmesperformances statiques, mais l’IGBT est moinscher
Moyenne tension ( 600 V): performancesidentiques pour MOSFETs (FLYMOSFET,SJMOSFET) et IGBT. Le choix dépendra de lafréquence d’utilisation.
Faible tension (< 400 Volts): MOSFETs(FLYMOSFET ou SJMOSFET)sont les pluperformants
39
Plan
•Introduction
•Composants de puissance unipolaires: MOSFETs–Dispositifs conventionnels « limite du silicium »–Nouveaux concepts : Superjonction et ilôts flottants–Limites des performances de ces nouveaux composants
•Compoants MOS/bipolaires: IGBTs–Nouvelles architectures –IGBT « faibles pertes » –Intégration IGBT-diode–IGBT Bidirectionnels
–Limites des performances des IGBT
•Composants de puissance grand gap–Propriétés des semiconducteurs grand gap –Comparaison des limites des performances–SiC, GaN, Diamant: tendances pour le futur
•Conclusion
40
Propriétés des semiconducteurs grand gap
Figure de mérite max... TKEcSFMeq
µ=
Propriétés Si SiC GaN Diamant (C)
Bande interdite (eV) 1,1 3,3 3,6 5,47
Champ de rupture (MV/cm) 0,3 4 4 10
Mobilité (cm_/V.s)
des électrons 1500 900 2000 4000
des trous 450 200 3800
Conductivité thermique (W/cm.K) 1,5 5 1,5 20
Température d'utilisation (°C) 125 500 650 700
SFM 1011 (W.f) 3,5 45 93 10920ratio / silicium 1 12,8 26,6 3540
41
Si, SiC, GaN: comparaison des limites desperformances statiques
En comparaison avec les limitesconventionnelles du l’amélioration desperformances statiques est notable:
RON. S: 3 décades pour SiC et 4 décades pourGaN!
• BVdss: plus d’une décade
• En comparaison avec les limites descomposants à superjunction :
Les composants à superjunction sont théoriquementperformants à BVdss = 10 kV mais la technologieserait coûteuse (ou impossible) pour cette gammede tension.
• Possibilité de réaliser des composantsunipolaires haute tension (faible RON et hautefréquence)
0.001
0.01
0.1
1
10
100
1000
10 100 1000 104
Conventional silicon limit
Floating Islands devices limits
Superjunction devices limits
Spec
ific
on-re
sist
ance
RO
N.S (m
Ω.c
m2 )
Breakdown voltage BVdss
(V)
W = 6 µmW = 4 µm
W = 2 µm
n = 0 1 2 3
SiC limitGaN limit
Diamond limit
42
Diodes de puissance sur SiC
Diode Schottky 300 V, 130 A,R. Singh et al, IEEE Transaction on Electron Devices, 2002
Bipolar diode 4.5 kV, 150 ABrett A. Hull et al, ISPSD’06
43
Transistors de puissance sur SiC
MOSFETMOSFET (BVdss = 10 kV, RON.S = 123 m_.cm2)S.H. Ryu et al, IEEE Electron Device Letters, 2004
JFET (BVdss = 11 kV, RON.S = 130 mΩ.cm2)J.H. Zhao et al, IEEE Electron Device Letters, 2004
Bipolar transistor 1200 V / 15 A (@VCE=2V)H.S. Lee et al, ICSCRM’07 - N-type IGBT 13 kV / 4 A (@VF<5 V)
M.K. Das et al, ICSCRM’07
45
Dispositifs de puissance sur GaN
Schottky Diode (BVdss = 1050 V, RON.S = 6 mΩ.cm2)[Yoshida et al, ISPSD’2006]
AlGaN/GaN HEMT (BVdss = 1050 V, RON.S = 6 mΩ.cm2)[Ueda et al, ISPSD’2005]
46
MOSFETs de puissance sur GaN
Lateral MOSFET (BVdss = 940 V)[Huang et al, ISPSD’2006]
Trench Gate MOSFET[Otake et al. JJAP 2007]
RESURF LDMOSFET (BVdss = 1570 V , RON.S = 30 mΩ.cm2)[Huang et al, ISPSD’2008]
47
Etat de l’art NMOS GaN 1.5 kV
T.P Chow ISPSD 2008
30 m_-cm2
1570 V
Center for Integrated Electronics, Rensselaer Polytechnic Institut
48
Perspectives GaN
Projet ANR MOreGaN (Power MOSFETs realization on Gallium Nitride)
Étude de faisabilité de transistors MOS de puissance en GaN :
- croissance épitaxiale de type N et P (CRHEA)- dépôt d’oxyde (SiO2, Si3N4,…) de bonne qualité et interface de qualité (IMN, LAAS)- implantations de type N (Si) et P (Mg, Be) (LAAS)- métallisation (LAAS)- passivation (LAPLACE)- calibration du logiciel de simulation physique SENTAURUS (LAAS)
Objectif final : Conception de transistors LDMOS de puissance normally-off en GaN
Source
49
Les défis technologiques des composants sur GaN
Matériau
- difficulté de mise en œuvre (pb de croissance car désaccord de maille ‘substrat / GaN’)
- Coût de wafer élevé (12 fois celui du Si)
- Technologie
- dopage P (implantation de Mg, Be) difficile
- qualité des contacts ohmiques
- état de surface et qualité de l’interface ‘oxyde / semiconducteur’
- Composants
- unipolaires essentiellement(HEMT / HFET, diodes Schottky, MOSFETs) mais interrupteurs
normally-on essentiellement.
- bipolaires (HBT)
50
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10Bias voltage (V)
cu
rren
t d
en
sity
(A
/cm
2)
Diode Schottky
Contacts Gravure Polissage
Diode Schottky diamant
51
Les défis technologiques des composants sur diamant
- Matériau
- difficulté de mise en œuvre (MWCVD)
- substrats monocristallins de petite taille (12mm x 12mm)
- impuretés (1014 A/cm3) (109 A/cm3 pour le Si)
- Coût de wafer élevé (1000 fois celui du Si)
- Technologie
- dopage P (Bore) in situ, implantation (?), pas de diffusion
- pas de dopage N
- contact ohmique (10-4 Ω.cm2)
- état de surface (polissage : qqes nm)
- Composants- unipolaires uniquement (diodes Schottky, autres ??)
52
Tendances
— — —+ (depends on the substrate)—+ + +Substrate cost
— —— ——+ + +Material
Low andmediumvoltage
All
+ + +
Si
Very highvoltage
Medium voltageMedium and high voltageVoltage range
Unipolar(Schottky, JFET)
Essentially unipolar, lateral andnormally-on devices
All (MOS gated devicesonly at very high voltage)
Type of devices
— —+ + (silicon compatible)+Technology
DiamondGaNSiC
SiC: Schottky et JBS sont disponibles jusqu’à 1.2 kV. Diodes PiN bientôt disponibles. JFET
(normally - ON) bien avancé. Composants à grille MOS en développement
GaN Développement en cours pour des dispositifs de puissance. Forte potentialité
Diamant:Travaux amont, première phase de développement
53
Plan
•Introduction
•Composants de puissance unipolaires: MOSFETs–Dispositifs conventionnels « limite du silicium »–Nouveaux concepts : Superjonction et ilôts flottants–Limites des performances de ces nouveaux composants
•Compoants MOS/bipolaires: IGBTs–Nouvelles architectures –IGBT « faibles pertes » –Intégration IGBT-diode–IGBT Bidirectionnels
–Limites des performances des IGBT
•Composants de puissance grand gap–Propriétés des semiconducteurs grand gap –Comparaison des limites des performances–SiC, GaN, Diamant: tendances pour le futur
•Conclusion
54
FLYMOSFET with 2 FI
RESURF LDMOSFET
1968 1988 20081973 1978 1983 1993 1998 2003
Time (year)
Composants de puissance au LAAS
First MOSFET VMOSFET
(First power device)
VDMOSFET
Optical MOS Thyristor
Dual Thyristor
« Floating Islands » concept
LUDMOSFET« Low losses »
IGBT
Bidirectional IGBT
FLYMOSFET with 1 FI
DT-SJMOSFET
GaNLDMOSFET
MOS Thyristor
LDMOSFET
55
Infrastructure and support
To Characterization
Optical photolithography
Metallization
Thin film deposition
M.B.E.
Wet Etching
Plasma Etching
Electrochemical deposition
Ion implantation
Electronic lithography
Packaging
From Mask fabrication
– 1500 m2 clean room– From class 10 000 to class 100– 20 M€ equipment– Flexibility
• Manual / Semiautomatic /Automatic equipments– Si and III-V technologies– 4’’ Si wafers (upgradeable to 6 ’’)– Developments in substitution technologies
Chemistry
Moyens technologiques
56
Tendances du futur
New silicon architectures
Wide band-gap
semiconductor devices
Nouvelles architectures à grille MOS (MOSFETs, IGBTs)
Schottky and JBS diodes: dispositifs grand gap remplaceront les dispositifs dans la gamme 300 à600 Volts.
Les composants sur silicium existeront encore dans le futur mais il y aura un développement decomposants « grand gap » pour des marchés de niche dans un premier temps puis une pénétrationprogressive de marchés de masse qui exploiteront leur performances
57
Technology integration
System Integration(architecture)
Perspectives
Si, SiC or GaN switch(mono and
bidirectional switch)
Switch (mono or bidi)
+driver control, protections
Galvanic insulation Cooling
Passive (L, C)
IPS
Flexible process:- Dry deep silicon etching- Trench MOS- Thin wafer techno - Wafer bonding- Vias- Backside lithography
2009 to 2015
Materials:- GaN, SiC,Diamant Magnetic- High K- Low K- Piezo
3D integration:- Planarisation process- Interconnect metallization- Stacking (3D integration)- Diamant, CNT
Power Switch
Protections
Control
Galvanic insulation
Thermal management
Integrated power switch
Passive (L, C)