Développement de briques technologiques pour la réalisation de composants de puissance MOS sur diamant

Un des défis de notre époque est lié à la production et à la gestion de l'énergie électrique. Dans ce cadre, l'amélioration des composants à semi-conducteurs de puissance est une des clés pour répondre à ce défi. La grande majorité des composants de puissance actuels sont réalisés à base de silicium. Cependant, les exigences des applications de l'électronique de puissance en termes de tenue en tension, de densité de puissance, de température et de fréquence de commutation sont de plus en plus élevées. Les propriétés physiques intrinsèques des semiconducteurs à large bande interdite (SiC, GaN, Diamant) permettent d'envisager la conception et la fabrication de composants de puissance bien plus performants que les structures tout silicium. Dans ce contexte, nos travaux portent sur le développement et l'optimisation des étapes technologiques permettant la réalisation de composants de puissance MOS en diamant. Ils ont été réalisés dans le cadre du projet ANR MOVeToDIAM, coordonné par le LAAS-CNRS, dans la continuité des travaux sur diamant effectués au laboratoire depuis 2005. Le diamant est donc un semiconducteur à large bande interdite (Eg = 5,5 eV) particulièrement indiqué pour les applications fortes puissances et températures élevées. Il possède de fortes mobilités de porteurs (2200 cm2/V.s pour les électrons et 2050 cm2/V.s pour les trous), permettant le passage de fortes densités de courant, un champ de rupture élevé (Ec ~ 10 MV/cm) et une forte conductivité thermique (lambda ~ 20 W.cm-1.K-1) facilitant la dissipation thermique. Cependant, malgré ces propriétés prometteuses, de nombreux verrous technologiques sont encore à lever afin de conduire à la fabrication de composants de puissance sur diamant. Nous avons donc étudié et optimisé plusieurs étapes technologiques critiques afin de pallier les problèmes induits notamment par la petite taille des échantillons (2x2mm2 à 3x3mm2). Les étapes de photolithographie ont été développées et optimisées pour deux types de résine (AZ4999 positive et NLOF 2035 négative) à l'aide d'un Spray-Coater et d'une machine d'écriture directe par laser, améliorant ainsi fortement la résolution minimale, jusqu'à 1µm, des motifs définis sur les échantillons. Afin de caractériser les contacts ohmiques, nous avons développé deux structures de tests : le TLM droit (Transmission Line Method) et le TLM circulaire ou cTLM (Circular Transmission Line Method). Si la réalisation de contacts ohmiques sur diamant de type P est maitrisée, la résistance spécifique de contact doit encore être améliorée pour limiter son impact sur les performances électriques des dispositifs. De plus, d'après la littérature, aucun contact ohmique réalisé sur diamant de type N n'a été réalisé, de par la difficulté d'atteindre de forts niveaux de dopage, ce qui reste de fait un frein majeur au développement de la filière diamant. La fabrication de contacts ohmiques de type P et de type N a donc été optimisée sur différents échantillons de diamant. Plusieurs techniques de surdopage ont notamment été testées sur les échantillons de type N : la caractérisation électrique à l'aide des motifs TLM montre que l'implantation de phosphore par PIII conduit à un comportement ohmique, ce qui s'explique par la présence d'une couche graphite conductrice à la surface de l'échantillon. Pour terminer, des capacités MIS ont été fabriquées. Le diélectrique Si3N4 a été choisi pour ses propriétés physiques et électriques, et la maîtrise de son dépôt par LPCVD au laboratoire. L'épaisseur déposée a été optimisée et les composants ont été fabriqués sur des échantillons de types P et N. Les mesures C(V) montrent un comportement capacitif pour les capacités MIS de type P ce qui ouvre la voie vers la réalisation d'un MOSFET Diamant.One of the challenges of our time is related to the production and management of electrical energy. In this context, the improvement of power semiconductor devices is one of the keys to meet this challenge. Most of current power devices are made of silicon. However, the demands of power electronics applications in terms of voltage withstand, power density, temperature and switching frequency are becoming higher. The intrinsic physical properties of wide-bandgap semiconductors (SiC, GaN, Diamond) make it possible to consider the design and fabrication of power devices that are much more efficient than all-silicon structures. In this context, our work focuses on the development and optimization of technological steps enabling the realization of diamond MOS power devices. They were carried out as part of the ANR project MOVeToDIAM, coordinated by LAAS-CNRS, in the continuity of the work on diamond made in the laboratory since 2005. Diamond is therefore a wide bandgap semiconductor (Eg = 5.5 eV) particularly suitable for high power and high temperature applications. It has high carrier mobilities (2200cm2/Vs for electrons and 2050cm2/Vs for holes), allowing the passage of high current densities, a high breaking field (Ec ~ 10 MV/cm) and a strong thermal conductivity (lambda ~ 20 W.cm-1.K-1) facilitating heat dissipation. However, despite these promising properties, many technological locks are still to be lifted in order to lead to the fabrication of power devices on diamond. We have therefore studied and optimized several critical technological steps to overcome the problems caused by the small sample size (2x2mm2 to 3x3mm2). The photolithography steps were developed and optimized for two types of resin (positive AZ4999 and negative NLOF 203) using a Spray-Coater and a direct laser writing machine, thus greatly improving the minimal resolution, up to 1 µm, of the patterns defined on the samples. In order to characterize ohmic contacts, we have developed two test structures: the Transmission Line Method (TLM) and the Circular TLM (Circular Transmission Line Method). If the realization of ohmic contacts on P-type diamond is mastered, the specific contact resistance must be further improved to limit its impact on the electrical performance of the devices. In addition, according to the literature, no ohmic contact has been made on N-type diamond, because of the difficulty of achieving high levels of doping, which remains a major obstacle to the development of the diamond industry. The fabrication of ohmic contacts on P-type and N-type diamond has been optimized on different samples. Several techniques have been tested on N type samples for increasing surface concentration: electrical characterization using TLM patterns shows that PIII phosphorus implantation leads to an ohmic behavior, which is explained by the presence of a conductive graphite layer on the surface of the sample. Finally, MIS capacitors were fabricated. The Si3N4 dielectric was chosen for its physical and electrical properties, and mastering of LPCVD deposition in the laboratory. The deposited thickness has been optimized and the devices have been fabricated on P and N-type samples. The C(V) measurements show a capacitive behavior for the P type MIS capacitances which opens the way towards the realization of a Diamond MOSFET