Conception de transistor MOS haute tension (1200 volts) pour l'électronique de puissance

Loïc Théolier (1)

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

IGBTs are currently used in rail train 1200 Volts power converter. These are disabled by important switch losses and thermal surge. Substitute IGBTs by power MOSFETs would enable to overcome these drawbacks. However, in this voltage range, MOSFETs are penalized by the Breakdown voltage / On-state resistance trade-off. As part of this thesis works, we have studied many principles to invent a new powerful MOSFET structure. We have chosen a Superjunction structure, made by deep trench etching and boron diffusion. Theoretically, this structure exhibits 13 m.cm2 for 1200 V. The main part of the work was to optimize this structure. For this, we have studied many technological parameters influence on Breakdown voltage / On-state resistance the trade-off. We have developed a new innovated junction termination in order to sustain the desired breakdown voltage. It was necessary to identify the process critical steps. From this point, we have fabricated a 1200 V diode which enabled to validate some of these steps.

Les composants actifs des convertisseurs de puissance empoyés pour la traction ferroviaire 1200 volts sont actuellement des IGBTs. Ceux-ci sont handicapés par leurs pertes en commutation et leur emballement thermique. L'utilisation de transistors MOS de puissance permettrait de pallier ces inconvénients. Néanmoins, à ces niveaux de tension, les transistors MOS sont pénalisés par leur compromis "tenue en tension/résistance passante spécifique". Dans le cadre de ces travaux de thèse, nous avons étudié différents principes pour concevoir une nouvelle structure MOS performante. Nous avons arrêté notre choix sur une structure se basant sur le concept de la superjonction, réalisé par gravure profonde et diffusion de bore. Théoriquement, cette structure atteint 13 mOcm2 pour 1200 V. Une grande partie des travaux de recherche a consisté à optimiser cette structure. Pour cela, nous avons étudié l'influence des paramètres technologiques et géométriques sur le compromis "tenue en tension/résistence passante spécifique". Nous avons également développé une terminaison innovante afin d'assurer la tenue en tension du composant. Il a ensuite fallu identifier les étapes critiques du procédé de fabrication. A partir de ces résultats, nous avons réalisé une diode 1200 V qui nous a permis de valider certaines briques technologiques.

Mots clés: Power MOSFET; Deep trench; TCAD simulation; Junction termination

Mots clés: Transistor MOS de puissance; Tranchées profondes; Superjonction; Simulation TCAD; Terminaisons de jonctions

Domaines: Micro et nanotechnologies/Microélectronique

Loïc Théolier. Conception de transistor MOS haute tension (1200 volts) pour l'électronique de puissance. Micro et nanotechnologies/Microélectronique. Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2008. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00377784⟩