Conception et réalisation de structures IGBTs bidirectionnelles en courant et en tension
Résumé
The research work carried-out within the framework of this thesis deals with the design and realization of voltage and current bidirectional IGBT structures. These monolithic MOS controlled ac switches are intended to replace triac structures that are current controlled devices requiring moderate amount of control power compared to voltage controlled devices. We initially analyzed the main bi-directional voltage-controlled structures proposed in literature to determine their advantages and limitations. We then studied, designed and realized the current and voltage bidirectional IGBT structure. The study by 2D simulations is used to assess the influence of technological and geometrical parameters on conduction and switching performance of the bidirectional IGBT. Two techniques of the device realization have been proposed and incorporated in the LAAS flexible IGBT process flow. The first technique is based on the double side photolithography and the second technique is based on the direct Si/Si wafer bonding. A thorough analysis of both techniques allowed us to highlight the advantages and drawbacks of each technique. Finally, we proposed another current and voltage bidirectional MOS controlled switch having its power electrodes and its MOS sections on one side of the wafer. This arrangement makes it possible to overcome the packaging constraint encountered in some bidirectional devices and it makes it also easier to access the MOS control gates. Moreover, the current, in the structure, flows vertically which allows the device to carry high currents. This original architecture should facilitate, using techniques of 3D interconnection, the integration in package of the power device with its control circuit. An analysis of the operating modes of the structure is performed using 2D simulations and the technological processes for the realization of such a device are also provided and discussed.
Dans ce mémoire, nous proposons une structure IGBT symétrique en courant et en tension. Cet interrupteur monolithique et commandé par MOS devrait pouvoir remplacer la structure triac, actuellement le seul dispositif bidirectionnel monolithique commercialisé, dans des applications sur le réseau alternatif. En effet, le triac est un composant commandé en courant et nécessite une énergie de commande élevée par rapport aux structures commandées en tension. Nous avons dans un premier temps analysé les principales structures bidirectionnelles commandées en tension proposées dans la littérature afin de déterminer leurs avantages et leurs limitations. Nous avons ensuite étudié, conçu et réalisé la structure IGBT bidirectionnelle en courant et en tension. L'étude menée utilise des simulations 2D afin d'évaluer l'influence des paramètres technologiques et géométriques sur les performances en conduction et en commutation de l'IGBT bidirectionnel. Deux voies technologiques pour la réalisation du composant ont été proposées et intégrées dans la filière IGBT du LAAS. La première voie est basée sur l'utilisation de la technique de photolithographie double face et la deuxième est basée sur la technique de soudure directe Si/Si. Une analyse approfondie des deux techniques nous a permis de mettre en évidence les atouts et les limites de chaque technique. Enfin, nous avons proposé une autre structure bidirectionnelle en courant et en tension, commandée par MOS et à électrodes coplanaires. En effet, cette structure originale a toutes ses électrodes de puissance et de commande sur une seule face du substrat ce qui permet de remédier à la difficulté d'encapsulation rencontrée avec la plupart des structures bidirectionnelles proposées dans la littérature. Cette architecture originale devrait en outre faciliter, en utilisant des techniques d'interconnexion 3D, l'intégration in package du dispositif de puissance avec sa commande. Une analyse du fonctionnement de cette structure est effectu ée à l'aide de simulations 2D et des éléments de conception et de réalisation ont été donnés.
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