Design, simulation and electrical evaluation of 4H-SiC Junction Field Effect Transistor
Conception, optimisation et caractérisation d’un transistor à effet de champ haute tension en Carbure de Silicium
Résumé
Silicon carbide (SiC) has higher critical electric field for breakdown and lower intrinsic carrier concentration than silicon, which are very attractive for high power and high temperature power electric applications. In this thesis, a new 3.3kV/20A SiC-4H JFET is designed and fabricated for motor drive (330kW). This breakdown voltage is beyond the state of art of the commercial unipolar SiC devices. The first characterization shows that the breakdown voltage is lower (2.5kV) than its theoretical value. Also the on-state resistance is more important than expected. By means of finite element simulation the origins of the failure are identified and then verified by optical analysis. Hence, a new layout is designed followed by a new generation of SiC-4H JFET is fabricated. Test results show the 3.3kV JFET is developed successfully. Meanwhile, the electro-thermal mechanism in the SiC JFETs under short circuit is studied by means of TCAD simulation. The commercial 1200V SIT (USCi) and LV-JFET (Infineon) are used as sample. A hotspot inside the structures is observed. And the impact the bulk thickness and the canal doping on the short circuit capability of the devices are shown. The physical models validated by this study will be used on our 3.3kV once it is packaged.
La thèse intitulée "Conception, caractérisation et optimisation d’un transistor à effet de champ haute tension en Carbure de Silicium (SiC) et de leur diode associée", s’est déroulée au sein du laboratoire AMPERE sous la direction du Prof. D. PLANSON. Des premiers démonstrateurs de JFET ont été réalisés. Le blocage du JFET n'est pas efficace, ceci étant lié aux difficultés de réalisation technologique. Le premier travail a consisté en leur caractérisation précise puis en leur simulation, en tenant compte des erreurs de processus de fabrication. Ensuite, un nouveau masque a été dessiné en tenant en compte des problèmes technologiques identifiés. Les performances électriques de la nouvelle génération du composant ont ainsi démontré une amélioration importante au niveau de la tenue en tension. Dans le même temps, de nouveaux problèmes se sont révélés, qu’il sera nécessaire de résoudre dans le cadre de travaux futurs. Par ailleurs, les aspects de tenue en court-circuit des JFETs en SiC commercialement disponibles ont été étudiés finement. Les simulations électrothermiques par TCAD ont révélé les modes de défaillances. Ceci a permis d'établir finalement des modèles physiques valables pour les JFETs en SiC.
Mots clés
Power Electronics
Power switches
Unipolar SiC switches - MOSFET
Unipolar SiC switches - JFET
Unipolar SiC switches - SIT
SiC JFET design
Layout
Wafer test
Failure analysis
Short-Circuit
Electronique de puissance
Interrupteur de puissance
Transistor à effet de champ
Transistor à effet de champ - MOSFET
Transistor à effet de champ - JFET
Transistor à effet de champ - SIT
JFET-SiC
Dessin de masque
Densité de cellule
Caractérisation électrique
Analyse de défaillance
Analyse optique des composants SIC
Court-Circuit
Capacité de court-Circuit
Simulation électrothermique
Capacité thermique du substrat
Domaines
Electronique| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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