Pour favoriser une gestion énergétique durable, il est crucial de développer des convertisseurs de puissance de plus en plus efficaces. Les transistors en nitrure de gallium (GaN) et carbure de silicium (SiC) ont déjà amélioré les performances par rapport au silicium (Si). Cependant, les matériaux à ultra-grand gap, comme le diamant, offrent des avantages supplémentaires, notamment en réduisant les pertes et en facilitant le refroidissement. Parmi les composants en diamant, les transistors à effet de champ à grille isolée (MOSFET) terminé hydrogène (H-MOSFET) utilisant un gaz 2D de trous (2DHG) comme canal de conduction ont montré de bonnes performances, mais leur stabilité thermique reste un défi.
Le D3MOSFET, un transistor MOS en diamant à déplétion profonde avec conduction volumique, a été étudié ici. Ce transistor latéral et unipolaire a montré des caractéristiques intéressantes par le passé, avec une tension de claquage de 175 V, une résistance spécifique de 50 mΩ.cm et un courant de 1,7 mA. Deux objectifs ont été poursuivis dans ce travail : intégrer une structure interdigitée pour augmenter la capacité en courant des transistors à effet de champ latéraux et ajouter une électrode de champ de type « source field plate » pour améliorer les performances à l’état bloqué du D3MOSFET.
Un total de 24 échantillons ont été fabriqués pour explorer ces configurations. La structure interdigitée a été testée sur six transistors FET à jonction (JFETs) avec 24 doigts, chacun étant caractérisé indépendamment, avec un ratio de 83 % de composants fonctionnels et une dispersion du courant inférieure à 30 %. Lorsque ces doigts fonctionnels ont été parallélisés, le meilleur a présenté une largeur de grille de 15,1 mm, une tension de seuil d’environ 50 V et un courant de 55 mA à 450 K (VDS = -15 V, VGS = -10 V), un record pour un transistor en diamant à conduction volumique.
La structure interdigitée a ensuite été testée sur des D3MOSFETs, qui sont plus complexes à fabriquer. Le ratio de doigts fonctionnels était de 75 %, avec une dispersion du courant inférieure à 20 %. Un doigt a montré un courant de 2,5 mA (à 450 K, VDS = -15 V, VGS = -10 V), et en parallélisant 24 doigts dans des recherches futures, un courant de 60 mA pourrait être atteint. La tension de claquage a été mesurée à 350 V à 300 K, soit le double de la valeur précédemment rapportée, avec un courant plus élevé. Cette amélioration résulte en partie de l'ajout d’une couche de passivation en Si3N4.
Enfin, une électrode de champ a été ajoutée au design d’un D3MOSFET élémentaire. Composée d’une couche diélectrique en Si3N4 et d’un contact de source reporté au-dessus de la grille, cette électrode redistribue le champ électrique dans le transistor, réduisant les effets du champ 2D et augmentant la tension de claquage. Les transistors avec électrode ont montré un courant faible (≈10^-5 A) en raison de différences entre les propriétés attendues et réelles du canal de conduction. Toutefois, un transistor sans électrode a atteint une tension de claquage supérieure à 1 kV, établissant un record pour le D3MOSFET. Les performances des transistors avec électrode étaient similaires à celles des composants sans électrode, bien que l’efficacité ait été probablement impactée par des écarts entre le design prévu et la fabrication. Néanmoins, l’ajout de l’électrode de champ a été réalisé avec succès sans nuire aux caractéristiques du transistor.
En conclusion, cette étude a permis de réaliser des avancées significatives dans le développement des transistors en diamant pour l’électronique de puissance. Les résultats obtenus ouvrent la voie à des améliorations futures pour exploiter pleinement le potentiel du diamant dans la gestion de l’énergie. |
To achieve more sustainable energy management, it is essential to develop increasingly efficient power converters. Gallium Nitride (GaN) and Silicon Carbide (SiC) transistors have already improved performance over traditional silicon (Si). However, ultra-wide bandgap materials, such as diamond, offer additional advantages, including reduced losses and simplified cooling. Among diamond-based components, field effect transistors with gate oxide (MOSFET) hydrogen terminated (H-MOSFET) using a 2D hole gas (2DHG) as the conduction channel have shown promising performance, but their thermal stability remains a challenge.
The D3MOSFET, a deep depletion diamond MOS transistor with volumetric conduction, has been studied in this work. This lateral, unipolar transistor has demonstrated interesting properties, such as a breakdown voltage of 175 V, a specific resistance of 50 mΩ·cm, and a current of 1.7 mA. Two main objectives were pursued in this study: integrating an interdigital structure to increase the current capability of lateral field-effect transistors) and adding a “source field plate” electrode to improve the performance of the D3MOSFET.
A total of 24 samples were fabricated to explore these configurations. The interdigital structure was successfully tested on six junction field effect transistors (JFETs) with 24 fingers, each characterized independently. An 83% functional component ratio and current dispersion below 30% were observed. When these functional fingers were parallelized, the best device had a gate width of 15.1 mm, a threshold voltage of approximately 50 V, and a current of 55 mA at 450 K (VDS = -15 V, VGS = -10 V), the highest reported current for a diamond transistor with volumetric conduction.
The interdigital structure was then tested on D3MOSFETs, which are more complex to fabricate. The ratio of functional fingers was 75%, with current dispersion below 20%. A single finger showed a current of 2.5 mA (at 450 K, VDS = -15 V, VGS = -10 V), and by parallelizing 24 fingers in future work, a current of approximately 60 mA could be achieved. The breakdown voltage was measured at 350 V at 300K, double the previously reported value, with a higher current as well. This increase is partly attributed to the addition of a Si3N4 passivation layer on the transistor.
Finally, a field plate electrode was added to the design of a basic D3MOSFET. This electrode consists of a Si3N4 dielectric layer, and a source contact positioned above the gate. The field plate redistributes the electric field in the D3MOSFET, reducing 2D field effects and increasing the breakdown voltage. Transistors with this electrode showed low current (≈10^-5 A) due to differences between the expected and actual properties of the conduction channel. However, a transistor without a field electrode reached a breakdown voltage above 1 kV, setting a new record for the D3MOSFET. The performance of the transistors with the field electrode was similar to that of those without it, though the efficiency may have been affected by discrepancies between the intended design and the final fabrication. Nevertheless, the field plate electrode was successfully added without degrading the transistor’s characteristics.
In conclusion, this study has led to significant advancements in the development of diamond transistors for power electronics. The results pave the way for future improvements to fully harness the potential of diamond in energy management applications.
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