Lettre du LAAS

Publication trimestrielle du Laboratoire
d'analyse et d'architecture des systèmes du CNRS

La miniaturisation ainsi que les nouvelles applications de l'électronique, comme par exemple, l'intégration mécatronique au plus près des moteurs dans l'automobile, requièrent un fonctionnement à haute température des composants. Pour répondre à cette contrainte de la haute température, la technologie SOI (Silicium sur Isolant) permet d'étendre la gamme de températures de fonctionnement tout en garantissant la nécessaire isolation entre les composants.Dans le cadre du projet FNRAE COTECH, nos travaux avaient pour objectifs d'améliorer le fonctionnement des structures électroniques à haute température d'une technologie SOI (200°C). N'ayant pas la possibilité de modifier les paramètres technologiques de la technologie étudiée, nous avons exploré diverses solutions de conception que ce soit en termes de topologie du composant ou d'architecture de composant.Après une analyse exhaustive de la bibliographie relative aux effets de la haute température sur les performances et la fiabilité des composants, nous avons recherché la technologie SOI la mieux adaptée pour l'application qui est la conception d'un driver haute température pour la commande d'un onduleur à base de composants JFET SiC. La technologie retenue est une technologie de puissance intelligente comprenant une bibliothèque CMOS basse tension (5V), des transistors de puissance LDMOS (25V, 45V et 80V) et des transistors bipolaires NPN et PNP.Afin de caractériser cette technologie en température, dans un premier temps, nous avons conçu un véhicule de test en introduisant certaines règles de dessin bénéfiques pour le comportement en température, à la fois pour les composants basse et haute puissance.  Nous avons également étudié une nouvelle architecture de composants combinant au sein d'un même composant un composant MOS et un composant IGBT, dans un objectif d'auto-compensation des effets négatifs de la température.Afin d'optimiser la conception de ces composants mixtes MOS-IGBT, la méthodologie que nous avons adoptée s'est appuyée sur des simulations physiques 2D et 3D Sentaurus. La simulation 3D a été un outil d'optimisation indispensable pour l'optimisation de ces structures mais n'a cependant pu être utilisée que de manière qualitative du fait de l'absence d'accès aux paramètres technologiques. Dans le cadre de ce travail, deux véhicules de test ont été réalisés et caractérisés.Ces structures mixtes MOS-IGBT ont été proposées en tant que structures de protection contre les décharges électrostatiques (ESD) pour remplacer une structure de protection de type "power clamp". Cette architecture mixte confère plusieurs avantages qui sont la possibilité d'activer le thyristor parasite permettant ainsi d'obtenir une très faible résistance à l'état passant quasiment indépendante de la température, une amélioration significative de la robustesse ESD et un gain en surface considérable (facteur 10). L'inconvénient majeur associé au déclenchement du thyristor est son faible courant de maintien incompatible avec une immunité du circuit au risque de latch-up. En s'appuyant sur la simulation 3D, nous avons proposé plusieurs solutions, à la fois topologiques et d'architecture, permettant d'augmenter significativement le niveau de ce courant. Ces diverses solutions ont été validées expérimentalement.Enfin, les bonnes performances de ces structures mixtes ont motivé leur étude en tant que structures de puissance. Dans ce cas, l'objectif majeur est d'éviter le déclenchement du thyristor parasite. Grâce à la simulation 3D, nous avons proposé plusieurs voies d'optimisation permettant d'exploiter les bonnes performances de ces structures à la fois en température et en commutation.