laas-cnrs - grepes.be · traction ferroviare applications domestiques et automobile) smart power...

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

7Travaux

Motor

V V I

Exemple du véhicule électrique

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


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


Composants unipolaires

Composants bipolaires

+ concentration de porteurs minoritaires

+ Chute de tension

14

x



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


- 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





•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 )


(V)

W = 6 µmW = 4 µm

W = 2 µm

n = 01 2 3

28

Plan

•Introduction





•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


Floating Islands devices limits

Superjunction devices limits

IGBT limitSpec

ific

on-re

sist

ance

RO

N.S (m

Ω.c

m2 )


(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





•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


Floating Islands devices limits

Superjunction devices limits

Spec

ific

on-re

sist

ance

RO

N.S (m

Ω.c

m2 )


(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

44

Etat de l’art NMOS SiC 10 kV

CREE ResearchISPSD 2008

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





•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)

58

Merci pour votre attention !

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