De nouvelles limites pour le compromis "résistance passante spécifique/tenue en tension" des composants unipolaires de puissance

Frédéric Morancho (1)

1 LAAS - Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes

The "specific on-resistance / breakdown voltage" trade-off has always penalized static performance of conventional power MOS devices. Since 1997, new concepts, such as Superjunction, U-diode and FLI-diode, appeared in order to overcome the conventional silicon limits who seemed to be insuperable during the last 20 years. Two of these concepts (U-diode and FLI-diode) have been studied in this work and applied to lateral and vertical power MOSFETs. The most interesting concept for lateral MOSFETs is the U-diode concept : at low voltage range (below 100 Volts), several structures, named LUDMOS, exhibit an excellent "specific on-resistance / breakdown voltage" trade-off close to (and sometimes below) the silicon limit. The most interesting concept for vertical MOSFETs is the FLI-diode concept : actually vertical FLIMOSFETs exhibit breakdown voltages higher than that of the plane junction and specific on-resistances lower than the silicon limit. The technological realization of a 80 Volts FLIMOSFET for automotive applications has allowed the validation of this concept. Thanks to these new concepts, new limits have been defined for silicon : the conventional limit is now overcomed. The innovative solutions proposed have then shown that silicon still has a future in the "power devices and integration" field.

Le compromis entre la résistance passante spécifique et la tenue en tension a toujours été un point pénalisant les performances statiques des structures MOS de puissance conventionnelles. Depuis 1997, de nouveaux concepts, tels que la Superjonction, la U-diode et la FLI-diode, sont apparus pour dépasser les limites conventionnelles du silicium, qui apparaissaient depuis une vingtaine d'années comme "infranchissables". Deux de ces concepts sont issus de nos travaux de recherche : il s'agit de la U-diode et de la FLI-diode qui font l'objet de ce mémoire. Ces deux diodes ont été étudiées et leur principe de fonctionnement a été appliqué aux composants MOS de puissance latéraux et verticaux. Concernant les composants facilement intégrables, c'est-à-dire essentiellement les composants MOS latéraux, le concept le plus intéressant est celui de la U-diode : dans la gamme des basses tensions de claquage (en dessous de 100 Volts), plusieurs structures, nommées LUDMOS, présentent un excellent compromis entre résistance passante spécifique et tenue en tension proche et même parfois meilleur que la limite du silicium. Concernant les composants MOS verticaux, préférentiellement utilisés en tant que composants discrets, c'est le concept de la FLI-diode qui est apparu le plus "prometteur". En effet, les composants FLIMOS verticaux présentent des tenues en tension supérieures à celle de la jonction plane et des résistances passantes spécifiques fortement améliorées et inférieures à la limite du silicium. La réalisation technologique du premier transistor FLIMOS 80 Volts pour l'électronique automobile du futur (batteries 42 Volts) a permis la validation de ce concept. Grâce à ces nouveaux concepts, de nouvelles limites pour le silicium ont été définies : la limite conventionnelle est désormais dépassée. Les solutions innovantes proposées ont donc montré que le silicium avait encore de l'avenir dans le domaine des composants et de l'intégration de puissance.

Mots clés: Power MOSFET; Specific On-resistance; Breakdown voltage; Silicon limit

Mots clés: Transistor MOS de puissance; Résistance passante spécifique (Ron*S); Tenue en tension; Limite du silicium

Domaines: Micro et nanotechnologies/Microélectronique

Frédéric Morancho. De nouvelles limites pour le compromis "résistance passante spécifique/tenue en tension" des composants unipolaires de puissance. Micro et nanotechnologies/Microélectronique. Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2004. ⟨tel-00010475⟩