Jury

Thesis Director
Mr. Farid MEDJDOUB CNRS scientist(IEMN, France)
Mr. Christophe Detavernier Professor (University of Ghent, Belgium)

Reviewers
M. Rachid Driad Senior scientist (IAF, Germany)
M. Jerome Billoue Professor (University of Tours, France)

Examiners
Mrs. Nathalie Malbert Professor (IMS, France)
Mr. Benoit Bakeroot Professor (University of Ghent, Belgium)

Invited
M. Jean-Francois Rolinat Program manager (STMicroelectronics, France)
M. Thierry Boudet Program manager (Soitec, France)

Résumé :

Cette thèse explore le développement de nouveaux dispositifs de puissance verticaux GaN sur silicium, visant à atteindre de hautes performances dans la gamme de 600 à 1200 V avec une fiabilité opérationnelle, incluant la capacité de claquage avalanche. Avec l’augmentation de la demande en énergie de la société moderne, il devient impératif de développer des composants électroniques de puissance plus efficaces. Les dispositifs à base de silicium traditionnels ont atteint leurs limites physiques, ce qui incite à rechercher des matériaux alternatifs. Le nitrure de gallium (GaN) s’avère être une solution prometteuse en raison de ses propriétés physiques supérieures et de son coût de fabrication réduit lorsque sa croissance est réalisée sur substrat en silicium. La recherche commence par une revue complète de l’état de l’art actuel des dispositifs GaN sur silicium, soulignant la nécessité d’architectures verticales par rapport aux conceptions latérales traditionnelles. L’utilisation de composants verticaux est motivée par leur capacité à améliorer la fiabilité, notamment en ce qui concerne le comportement au claquage à haute tension.
Des études de simulation utilisant le logiciel Silvaco ont été menées pour optimiser la conception des diodes P-I-N en GaN sur silicium, afin d’améliorer les performances en régime passant et bloqué. La thèse aborde également les procédés de fabrication, en discutant de l’optimisation des contacts ohmiques, de la formation de mesa, de la terminaison des bords et de la gravure des couches tampons. Des techniques telles que la passivation au polyimide et des dissipateurs thermiques en cuivre épais ont été employées pour améliorer la gestion thermique et la stabilité mécanique.
Les résultats clés incluent une réduction significative du courant de fuite et une amélioration des performances à l’état bloqué de la diode grâce à des techniques de croissance épitaxiale avancées et à des conceptions innovantes de couches tampons. La première démonstration du claquage par avalanche dans des composants verticaux GaN sur substrat de silicium est présentée, atteignant une tenue en tension élevée allant jusqu’à 1200 V. De plus, un transistor de type TMOSFET pseudo-vertical en GaN sur silicium a été développé, démontrant des performances préliminaires prometteuses.
Ce travail fonde les bases de futurs progrès dans la technologie GaN sur silicium verticale, soulignant son potentiel en termes de ratio performance / coût pour les futures applications en électronique de puissance.

Abstract :

This thesis explores the development of novel vertical GaN-on-Silicon power devices, aiming to achieve high performance in the 600-1200 V range with reliable operation, including avalanche capability. As modern society’s demand for energy grows, there is an urgent need for more efficient power electronics. Traditional silicon-based devices have reached their physical limits, driving the search for alternative materials. Gallium Nitride (GaN) presents a promising solution due to its superior physical properties and cost-effectiveness when grown on silicon substrates.
The research begins with a comprehensive review of the current state of GaN-on-Silicon devices, highlighting the need for vertical configurations over traditional lateral designs. The use of vertical designs is motivated by their ability to enhance reliability, particularly in terms of breakdown behavior at high voltages.
Simulation studies using Silvaco software were conducted to optimize the design of GaN-on-Silicon P-I-N diodes, targeting improved performance in both on-state and off-state conditions. The thesis also delves into the fabrication processes, discussing the optimization of ohmic contacts, mesa formation, edge termination, and buffer layer etching. Techniques such as polyimide passivation and thick copper heatsinks were employed to enhance thermal management and mechanical stability.
Key findings include a significant reduction in leakage current and improved off-state performance through advanced epitaxial growth techniques and innovative buffer designs. The first demonstration of avalanche capability in vertical GaN devices on silicon substrates, achieving high breakdown voltages up to 1200 V, is presented. Additionally, a pseudo-vertical GaN-on-Silicon trench MOSFET was developed, demonstrating promising initial performance metrics.
This work lays the groundwork for further advancements in GaN-on-Silicon technology, highlighting its potential as a cost-effective, high-performance solution for future power electronic applications.
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