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Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes
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30documents trouvés

17065
08/03/2017

Structuration de collecteurs de courant d'or pour la réalisation de micro-supercondensateurs à base d'oxyde de ruthénium

A.FERRIS

ISGE

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 8 Mars 2017, 192p., Président: M.BAFLEUR, Rapporteurs: A.BALDUCCI, F.FAVIER, Examinateurs: P.SIMON, S.SADKI, C.LETHIEN, Directeurs de thèse: D.PECH, D.GUAY , N° 17065

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01502210

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Abstract

The increasing importance of portable and wearable electronics as well as embedded wireless sensor networks has made energy autonomy a critical issue. Micro-energy autonomy solutions based on the combination of energy harvesting and storage may play a decisive role. However, the short lifetime of micro-batteries is problematic. Micro-supercapacitors are a promising solution in terms of energy storage for embedded systems on the account of their important lifetime. In this work we have focused on the optimization of the performances of micro-supercapacitors in terms of energy and power density. As the capacitance is directly related to the accessible surface area of the electrodes, we have investigated the structuration of the current collectors in order to improve the performances of ruthenium oxide-based micro-supercapacitors. Two mains technics have been studied to obtain three dimensional structures. In a first phase, the oblique angle physical vapor deposition (OAD) has been investigated to fabricate a columnar gold structure, subsequently covered by an electrochemical ruthenium oxide. In a second phase, a highly porous gold architecture has been studied using electrodeposition via a hydrogen bubbles dynamic template. The ruthenium oxide electrodeposited on the resulting mesoporous gold structure shows good compatibility, in terms of homogeneous deposition, with a significant capacitance at slow rate (> 3F.cm-2) and an important cyclability. As proof of concept, a device has been designed in a stack configuration with good performances. Moreover, the technology finalized for electrodes fabrication has been transferred to the micro-scale on planar interdigitated devices using a suitable photolithography process.

Résumé

Depuis une dizaine d’années, on observe un développement de l’électronique embarquée intégrée à la plupart des objets que nous utilisons au quotidien. Il s’agit maintenant de les interconnecter en créant des réseaux embarqués connectés tels que les réseaux de capteurs autonomes sans fils. La miniaturisation des composants permet d’envisager une autonomie énergétique de ces réseaux composés de capteurs, récupérateurs d’énergie et de micro-batteries. Cependant la faible durée de vie des batteries et leur puissance limitée sont problématiques pour de telles applications. Les micro-supercondensateurs représentent une alternative pertinente pour la gestion de l’énergie dans les systèmes embarqués, notamment grâce à leur durée de vie très élevée. L’objectif de cette thèse concerne l’optimisation des performances de ces dispositifs en termes de densité de puissance et d’énergie. La capacité du supercondensateur étant proportionnelle à la surface spécifique des électrodes, nous nous sommes donc intéressés à la structuration de collecteurs de courant en or pour optimiser les performances des micro-supercondensateurs à base d’oxyde de ruthénium. Nous avons sélectionné deux principales techniques pour fabriquer une structure tridimensionnelle de l’or. Dans un premier temps, le dépôt physique d’or par évaporation à angle oblique (OAD) nous a permis de réaliser un substrat colonnaire suivi d’un dépôt d’oxyde de ruthénium. Dans un deuxième temps, nous avons mis en place un dépôt électrochimique d’or avec un modèle dynamique à bulles d’hydrogène. Cette technique permet la fabrication d’une structure d’or en trois dimensions par le biais d’un dépôt d’or réalisé simultanément avec une évolution d’hydrogène. L’électrodéposition de l’oxyde de ruthénium sur cette structure mésoporeuse a montré une très bonne compatibilité notamment en terme d’homogénéité du dépôt, une forte capacité à faible vitesse de balayage (> 3 F/cm2) et une bonne cyclabilité. Pour tester les performances de ces électrodes, nous avons réalisé un dispositif complet en configuration empilée présentant de bonnes caractéristiques. Cette technologie de fabrication a pu par ailleurs être transférée à la micro-échelle pour des dispositifs planaires à l’aide de procédés de photolithographie sur électrodes interdigitées.

Mots-Clés / Keywords
Dioxyde de ruthénium; Micro-supercondensateurs; Pseudo-capacité; Stockage de l'énergie; Structures 3D; Energy storage; Micro-supercapacitors; Supercapacitors; Pseudo-capacitance; Ruthenium oxyde; Structuration; Oblique angle deposition; Hydrogen bubbles dynamic template;

139393
17061
27/02/2017

Etude des couplages substrats dans des circuits mixtes "Smart Power" pour applications automobiles

V.TOMASEVIC

ESE

Doctorat : INSA de Toulouse, 27 Février 2017, 226p., Président: E.SICARD, Rapporteurs: G.DUCHAMP, M.RAMDANI, Examinateurs: T.BOUSQUET, R.ISKANDER, Directeurs de thèse: S.BEN DHIA, A.BOYER , N° 17061

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01499417

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Abstract

Smart Power circuits, used in the automotive industry, are characterized by the integration on one chip of the power parts with low voltage analog and digital parts. Their main weak point comes from the switching of power structures on inductive loads. These inject parasitic currents in the substrate, capable of activating the bipolar parasitic structures inherent in the layout of the circuit, leading to failure or destruction of the integrated circuit. These parasitic structures are not currently integrated into CAD tools nor simulated by SPICE simulators. The extraction of these structures from the layout and their integration into the CAD tools is the objective of the European AUTOMICS project, in which this thesis is carried out. The characterization of the substrate coupling of two case study was used to validate theoretical models and compare them to simulations using the new substrate coupling model.

Résumé

Les circuits Smart Power, utilisés dans l’industrie automobile, se caractérisent par l’intégration sur une puce des parties de puissance avec des parties analogiques&numériques basse tension. Leur principal point faible vient de la commutation des structures de puissance sur des charges inductives. Celles-ci injectent des courants parasites dans le substrat, pouvant activer des structures bipolaires parasites inhérentes au layout du circuit, menant à une défaillance ou la destruction du circuit intégré. Ces structures parasites ne sont pas actuellement modélisées dans les outils CAO ni simulées par les simulateurs de type SPICE. L'extraction de ces structures à partir du layout et leur intégration dans les outils CAO est l’objectif du projet européen AUTOMICS, dans le cadre duquel cette thèse a été réalisée. La caractérisation du couplage substrat sur deux cas d’études a permis de valider les modèles théoriques et de les comparer aux simulations utilisant le nouveau modèle de couplage substrat.

Mots-Clés / Keywords
Electronique analogique; Circuits Smart Power; Compatibilité électromagnétique des circuits in; Conception microélectronique; Couplage substrat de puissance; Système de mesure sur puce;

139380
17100
26/01/2017

Contribution à l'analyse des mécanismes de défaillance lors de décharges électrostatiques et de radiations aux ions lourds de composants MESFET en carbure de silicium

T.PHULPIN

ISGE

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 26 Janvier 2017, 150p., Président: M.BAFLEUR, Rapporteurs: N.MALBERT, D.PLANSON, Examinateurs: X.PERPINYA, D.TOURNIER, A.TOUBOUL, Directeurs de thèse: P.AUSTIN, K.ISOIRD, D.TREMOUILLES , N° 17100

Lien : https://hal-univ-tlse3.archives-ouvertes.fr/tel-01493393

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Abstract

Power management is nowadays crucial with the global warming and the electronic needs of the society. Wideband gap semi-conductors like Silicon Carbide (SiC) are emerging in power electronic landscape because of their better properties in comparison with Silicon. Nevertheless reliability and knowledge about internal physic during electrostatic discharge (ESD) or radiation event is still missing and need specific studies. In this work, several SiC MESFET have been tested and results show two mains failure mechanism. First the passivation oxide clamping, and secondly the SiC sublimation induced by a parasitic structure in the device. An ESD protection was tested and validated. Unfortunately, this solution isn’t efficient for heavy ion protection. Indeed, no impact on the radiation robustness is noticed on the MESFET during a radiation event. SiC ESD reliability doesn’t look better than for Silicon devices. ESD robustness improvements are proposed in this work even if integration of this MESFET is still required to validate the improvement.

Résumé

La gestion de l’énergie électrique est aujourd’hui au cœur des enjeux environnementaux. L’éclosion de semi-conducteurs à grand gap comme le carbure de silicium (SiC) permet la réalisation de composants aux performances supérieures à celles des composants en silicium pour l'électronique de puissance. Toutefois, le comportement de ces dispositifs lors de décharges électrostatiques (ESD) ou lors de radiations est mal connu et nécessite des études spécifiques. Dans ces travaux, plusieurs composants MESFET SiC ont ainsi été testés face aux ESD et l’étude des mécanismes de défaillance a montré soit la défaillance de l’oxyde de passivation, soit la sublimation du SiC suite au déclenchement d’une structure parasite. L’intégration d’une diode Zener sur le drain du MESFET a ainsi été testée et validée comme protection ESD. La simulation démontre que la protection est inefficace par rapport à la tenue aux radiations d’ions lourds. Assurer la robustesse de ces technologies n’apparaît pas plus simple que pour les composants en silicium. Des solutions sont toutefois envisageables pour aider les concepteurs à améliorer la robustesse aux ESD, bien que des études supplémentaires restent à mener.

Mots-Clés / Keywords
Conception; Driver; ESD; Lock'in thermography; MESFET; Radiation; Robustesse; SiC;

139553
16450
01/12/2016

Conception et réalisation de composants de puissance à superjonction et à tranchées profondes pour des applications 600 V et 1200 V

S.NOBLECOURT

ISGE

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 1 Décembre 2016, 150p., Président: P.AUSTIN, Rapporteurs: D.PLANSON, G.GAUTIER, Examinateurs: L.THEOLIER, Y.SPIGEL, Directeurs de thèse: F.MORANCHO, J.TASSELLI , N° 16450

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01451021

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Résumé

L’énergie et le transport sont au centre des recherches de développement durable. L’amélioration du rendement de la chaine énergétique passe inévitablement par une amélioration du rendement de chacune des parties la composant. Les activités de recherche en électronique de puissance s’inscrivent pleinement dans ces perspectives. L’objet de cette thèse est de proposer des solutions alternatives à l’utilisation de l’IGBT dans les convertisseurs employés pour le transport dans les gammes de 600V et 1200V. De nombreuses recherches se sont concentrées sur l’amélioration des composants MOSFET, notamment pour améliorer la résistance à l’état passant. Le concept de superjonction est le premier à avoir dépasser la limite théorique du silicium. Il consiste en une alternance de bandes N et P à la place de la zone de drift. A surfaces de silicium identiques, la surface de la jonction PN ainsi obtenue est alors beaucoup plus importante dans la superjonction que dans une diode traditionnelle. La tenue en tension va dépendre de la balance des charges entre ces différentes bandes et ne dépendra plus du dopage. Cela permet d’augmenter le dopage de la zone intrinsèque et d’ainsi diminuer la résistance à l’état passant sans entacher les performances dynamiques du composant. Ainsi, il est donc possible d’améliorer le rendement du composant et donc d’améliorer le rendement de la chaine énergétique. Dans une première partie, les travaux de thèse se sont focalisés sur la conception et l’optimisation de composants à superjonction et à tranchées profondes dans les gammes de 600V et 1200V. L’objectif est d’obtenir le meilleur compromis tenue en tension/ résistance à l’état passant pour ces gammes de tension. L’étude théorique a permis de comprendre le comportement de la tenue en tension de différents paramètres technologiques et géométriques. La tenue en tension est très sensible à l’équilibre des charges et à la verticalité des tranchées. La résistance passante, elle, est sensible à la profondeur de diffusion autour des tranchées et, plus généralement, au ratio de conduction entre la surface de la zone N et la surface totale. La structure a donc été optimisée afin de garantir le meilleur ratio « tenue en tension/résistance à l’état passant » en vue d’une réalisation technologique. De plus, les composants à Superjonction nécessitent une protection en périphérie adaptée. En effet, les terminaisons surfaciques telles que les anneaux de garde ne permettent pas d’étaler la zone de charge d’espace à des profondeurs suffisantes. La terminaison qui est la plus adaptée à cette technologie est la Deep Trench Termination car elle permet de conserver l’équilibre des charges en périphérie et ne rajoute pas d’étapes technologiques supplémentaires. Cette terminaison a donc fait l’objet d’une optimisation aux cours de ces travaux de thèse. La seconde partie de mes travaux concerne la réalisation de la structure optimisée précédemment. L’optimisation de la diode à Superjonction est liée à certains paramètres technologiques pouvant s’avérer critiques pour obtenir les performances électriques désirées: la verticalité des tranchées, l’implantation des zones de type P sur les flancs des tranchées et la maîtrise de leur remplissage par un diélectrique. Afin d’assurer un parfait équilibre des charges entre les régions N et P, la fabrication des tranchées profondes a été optimisée afin d’obtenir des flancs de gravure les plus verticaux possible avec une rugosité de surface la plus faible possible. De plus, un procédé visant à obtenir une même profondeur de gravure quelle que soit l’ouverture a été mis en place afin de permettre un remplissage total des tranchées profondes avec du BenzoCycloButene (BCB). L’étude du remplissage des tranchées a permis de mettre au point un procédé permettant le remplissage des tranchées en un seul dépôt.

Mots-Clés / Keywords
Benzocyclobutène; Composants de puissance; Energie; Superjonction;

138433
16260
22/06/2016

Optimization of the elaboration of insulating layers for the gate structures and the passivation of MIS-HEMT transistors on GaN

R.MEUNIER

ISGE

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 22 Juin 2016, 141p., Président: A.CAZARRE, Rapporteurs: Y.CORDIER, M.P.BESLAND, Examinateurs: G.TOULON, F.MEDJOUB, Directeurs de thèse: F.MORANCHO, A.TORRES , N° 16260

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01376016

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Abstract

The objective of this Ph.D. is to define the best gate dielectric material to introduce in order to create a high-performance MIS-HEMT transistor on an AlGaN/GaN heterostructure. The aim is to reduce gate leakage current as much as possible while preserving a threshold voltage as high as possible in the case of normally-on type transistors. In order to achieve this, surface treatments before the high-k deposition were, and the deposition technique in itself was investigated. The choice made was to use alumina Al2O3 deposited by PEALD(plasma enhanced atomic layer deposition). In a second time, if time is sufficient, another objective is to achieve the creation of normally-off MIS-HEMT transistors, keeping in mind applying to those transistors the results previously obtained. This was done through complete recces etching of the AlGaN barrier under the gate, integrated in the making of a MIS-HEMT structure. Objectives were achieved in both cases, with state of the art results and their presentation in 4 international conferences. a paper was also published in a scientific journal.

Résumé

La thèse a pour but de définir quel est le diélectrique de grille optimal à introduire dans le cadre de la réalisation d'un transistor MIS-HEMT sur hétérostructure AlGaN/GaN. L'objectif est de réduire les courants de fuite de grille au maximum, tout en assurant une tension de pincement la plus élevée possible dans le cas de transistors de type normally-on. Afin de réaliser cela, les traitements de surface avant dépôt ont été étudiés, ainsi que la méthode de déposition en elle-même. Le choix réalisé a été celui de l'alumine Al2O3 déposé par PEALD (Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition). Un objectif secondaire fut la réalisation de structures MIS-HEMT de type normally-off, en leur appliquant les résultats obtenus précédemment. La solution retenue a été la gravure totale de la barrière d'AlGaN sous la grille par gravure ICP-RIE (Inductively Coupled Plasma - Reactive Ion Etching) à base de BCl3 intégrée dans la réalisation d'une structure MIS-HEMT. Les objectifs ont été atteints dans les deux cas, avec des résultats à l'état de l'art et des présentations dans 4 conférences internationales. Une publication a été faite dans une revue scientifique.

137413
16505
11/05/2016

Systèmes de récupération d'énergie pour l'alimentation de capteurs autonomes pour l'aéronautique

P.DURAND ESTEBE

ESE

Doctorat : INSA de Toulouse, 11 Mai 2016, 169p., Président: L.ROY, Rapporteurs: S.BASROUR, V.DEJAN, Examinateurs: V.BOITIER, Directeurs de thèse: J.M.DILHAC, M.BAFLEUR , N° 16505

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01481939

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Abstract

This work deals with energy harvesting and storage to power aircraft embedded wireless sensors. First, we discuss the issue of powering wireless sensors in an aircraft and we present a state of the art of the various energy harvesting and storage technologies that could be used. Then, through the design and construction of two harvesters, we show the possibilities offered by this technology and we explain the design constraints imposed by the application to get a reliable and robust power supply. The first harvester is a photovoltaic power supply located on the upper surface of an A321’s wing supplying a wireless sensors belt nearby. The systems provides 2 watts to the load, works with cloudy weather and is highly resistant to negative temperature (-50°C) and low pressure (200hPa) that are met at aircraft cruising altitude. The second harvester is a thermoelectric power supply located in an A380 pylon supplying a structural health monitoring system. The harvester is highly resistant to high temperature (300°C) and severe vibrations of the installation area and manages to generate the required energy to supply the structural health monitoring sensors. Mechanical and electronic design steps and choices that led to both harvesters are detailed and discussed.

Résumé

Ces travaux portent sur la récupération et le stockage d’énergie pour l’alimentation de capteurs sans fil dans un contexte aéronautique. Dans un premier temps, nous présentons la problématique particulière de l’alimentation des capteurs sans fil dans un tel domaine et dressons un état de l’art des différentes technologies de stockage et de récupération pouvant répondre à ce besoin. Dans un deuxième temps, à travers l’étude et la réalisation de deux récupérateurs, nous montrons les possibilités qu’apporte cette technologie et détaillons les contraintes de conception qu’impose le milieu afin d’obtenir une alimentation robuste et fiable. Le premier récupérateur présenté est une alimentation photovoltaïque située sur l’extrados de l’aile d’un A321 alimentant des bandes de capteurs sans fil proches. Le système fournit 2 watts, fonctionne par temps couvert et résiste aux températures fortement négatives (-50°C) et aux basses pressions (200hPa) qui sont rencontrées à l’altitude de croisière de cet appareil. Le deuxième récupérateur est une alimentation thermoélectrique placée dans le mât réacteur d’un A380 pour alimenter un système de capteurs dédié à la surveillance de l’état de structure. Le système résiste aux températures élevées (300°C) et aux importantes vibrations de la zone d’installation et produit l’énergie nécessaire à l’alimentation du système de capteurs. Les choix et les étapes de conception ayant menés aux deux systèmes sont détaillés, tant au niveau de l’assemblage mécanique que des circuits électroniques.

Mots-Clés / Keywords
Récupération d’énergie; Thermoélectricité; Photovoltaïque; Gestion de l’énergie; Systèmes autonomes sans batterie; Energy harvesting; Thermoelectricity; Photovoltaic; Power management; Battery-less autonomous systems;

138835
15619
07/12/2015

Développement de modèles prédictifs pour la robustesse électromagnétique des composants électroniques

H.HUANG

ESE

Doctorat : INSA de Toulouse, 7 Décembre 2015, 240p., Président: J.M.DILHAC, Rapporteurs: G.DUCHAMP, M.J.ROCA ADROVER, Examinateurs: F.CANAVERO, Directeurs de thèse: D.BEN DHIA, A.BOYER , N° 15619

Lien : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01261471

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Abstract

One important objective of the electromagnetic compatibility (EMC) studies is to make the products compliant with the EMC requirement of the customers or the standards. However, all the EMC compliance verifications are applied before the delivery of final products. So we might have some new questions about the EMC performance during their lifetime. Will the product still be EMC compliant in several years? Can a product keep the same EMC performance during its whole lifetime? If not, how long the EMC compliance can be maintained? The study of the long-term EMC level, which is called “electromagnetic robustness”, appeared in the recent years. Past works showed that the degradation caused by aging could induce failures of electronic system, including a harmful evolution of electromagnetic compatibility. In this study, the long-term evolution of the EMC levels of two electronic component groups has been studied. The first electronic component type is the integrated circuit. The high-frequency currents and voltages during the switching activities of ICs are responsible for unintentional emissions or coupling. Besides, ICs are also very often the victim of electromagnetic interference. Another group of components is the passive component. In an electronic system, the IC components usually work together with the passive components at PCB level. The functions of passive components in an electronic system, such as filtering and decoupling, also have an important influence on the EMC levels. In order to analyze the long-term evolution of the EMC level of the electronic components, the study in this thesis tends to propose general predictive methods for the electromagnetic compatibility levels of electronic components which evolve with time.

Résumé

Un objectif important des études de la compatibilité électromagnétique (CEM) est de rendre les produits conformes aux exigences CEM des clients ou les normes. Cependant, toutes les vérifications de la conformité CEM sont appliquées avant la livraison des produits finis. Donc nous pourrions avoir de nouvelles questions sur les performances CEM des systèmes électroniques au cours de leur vie. Les comportements CEM de ces produits seront-ils toujours conformes dans plusieurs années ? Un produit peut-il garder les mêmes performances CEM pendant toute sa durée de vie ? Si non, combien de temps la conformité CEM peut-elle être maintenue ? L'étude à long terme de l'évolution des niveaux CEM, appelée "robustesse électromagnétique», est apparue ces dernières années. Les travaux précédents ont montré que la dégradation causée par le vieillissement pourrait induire des défaillances de système électronique, y compris une évolution de la compatibilité électromagnétique. Dans cette étude, l'évolution à long terme des niveaux CEM de deux groupes de composants électroniques a été étudiée. Le premier type de composant électronique est le circuit intégré. Les courants de hautes fréquences et les tensions induites au cours des activités de commutation de circuits intégrés sont responsables des émissions électromagnétiques non intentionnelles. En outre, les circuits intégrés sont aussi très souvent les victimes d'interférences électromagnétiques. Un autre groupe de composants est formé par les composants passifs. Dans un système électronique, les circuits intégrés fonctionnent souvent avec les composants passifs sur un même circuit imprimé. Les fonctions des composants passifs dans un système électronique, telles que le filtrage et le découplage, ont également une influence importante sur les niveaux de CEM. Afin d'analyser l'évolution à long terme des niveaux CEM des composants électroniques, les travaux présentés dans cette thèse ont pour objectif de proposer des méthodes générales pour prédire l'évolution dans les temps des niveaux de compatibilité électromagnétique des composants électroniques.

Mots-Clés / Keywords
Electromagnetic robustness; Electromagnetic compatibility; Aging; Degradation mechanisms; EMC modeling; Degradation modeling; Integrated circuits; Passive components; Electromagnetic reliability; Robustesse électromagnétique; Compatibilité électromagnétique; Vieillissement; Mécanismes de dégradation; Modélisation CEM; Modélisation de la dégradation; Circuits intégrés; Composants passifs; Fiabilité électromagnétique;

136015
15744
16/11/2015

Convertisseurs DC/DC à base de HFETs GaN pour applications spatiales

G.DELAMARE

ISGE

Doctorat : INP de Toulouse, 16 Novembre 2015, 136p., Président: F.MORANCHO, Rapporteurs: F.FOREST, J.P.FERRIEUX, Examinateurs: J.EVERTS, P.MAYNADIER, Directeur de thèse: H.SCHNEIDER , N° 15744

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01499458

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Résumé

L'amélioration de la compacité et du rendement des convertisseurs à découpage est une problématique centrale en électronique de puissance; elle l'est encore plus à bord des satellites où chaque gramme et chaque watt comptent. Chacun des nombreux émetteurs et récepteurs radiofréquence qui équipent les satellites de télécommunication a besoin d'être alimenté par diverses tensions, converties de façon isolée à partir du bus principal de distribution de puissance. En raison des lourdes contraintes thermiques, de fiabilité et de résistance aux radiations qui pèsent sur les composants électroniques dans les applications spatiales, les degrés de liberté pour améliorer les alimentations sont restreints, en tout cas avec les technologies actuelles de semiconducteurs qualifiés (couteuses et très en retrait des performances de l'état de l'art). La commercialisation assez récente de transistors de puissance en nitrure de gallium (GaN) à canal normalement bloqué, présentant des caractéristiques électriques supérieures à celles des meilleurs MOSFET de puissance en silicium, est prometteuse sur ce point. En effet leur robustesse intrinsèque aux radiations semble permettre leur emploi dans des convertisseurs spatiaux. Le but de ce travail est l'évaluation des apports possibles de cette technologie dans la réalisation d'alimentations DC/DC isolées pour des équipements typiques des charges utiles des satellites de télécommunication. Le fonctionnement à des fréquences de découpage plus élevées avec ces composants plus performants doit, au premier abord, réduire l'encombrement des convertisseurs à rendement égal (voire meilleur) tout en continuant à respecter le cahier des charges spécifique à chaque application. La pertinence de cette hypothèse et l'architecture de mise en œuvre la plus adéquate ont été explorées pour l'alimentation faible puissance d'un récepteur RF, avec réalisation et comparaison de plusieurs maquettes de démonstration. Afin d'aborder des convertisseurs de plus fortes puissances, une étude théorique et expérimentale des pertes par commutation dans les jambes de pont de transistors GaN a été menée. Un programme de calcul de performances a été développé en Python et mis en œuvre pour identifier l'optimum global du dimensionnement d'un convertisseur Dual Active Bridge destiné à l'alimentation d'un amplificateur RF de puissance (250 W DC). Une maquette prototype a été réalisée et a démontré l'intérêt de la topologie et des composants GaN dans cette application, tout en mettant en évidence la prédominance des pertes haute fréquence des composants magnétiques parmi les pertes totales du convertisseur. Ce dernier point s'avère finalement être la principale limitation de l'approche, précieuse pour l'ingénierie, de dimensionnement optimal par le calcul : les modèles actuellement existants d'estimation des pertes dans les éléments magnétiques se révèlent insatisfaisants pour prédire les performances de ce type de convertisseur.

Mots-Clés / Keywords
Convertisseur DC-DC; FET GaN; HFET; Spatial; Satellite; Electrotechnique;

139176
15582
30/01/2015

Approche systémique pour l’analyse de l’impact des décharges électrostatiques : du composant au système

F.CAIGNET

ESE

Habilitation à diriger des recherches : Janvier 2015, 113p., Président: T.PARRA, Rapporteurs: G.DUCHAMP, M.KADI, J.S.AINE, Examinateurs: P.GALY, E.SICARD, A.DURIER, N.NOLHIER, Mentor: M.BAFLEUR , N° 15582

Lien : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01292134

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Abstract

With the steady increase of semi-conductor technologies and the explosion of embedded systems into severe environments, failures related to ElectroStatic Discharges (ESD) are growing in importance. ESD are power sources of interferences that can cause the destruction of electronic systems or functionality losses reducing reliability. This is even more critical for aeronautic and automotive applications, where people safety depends on the reliability of embedded electronic products. Studies presented in this document report the last eight years of research activity that I carried out within the group ISGE (Intégration des Systèmes pour la Gestion de l’Energie) then ESE (Energie des Systèmes Embarqués) on the issue of the ESD impact on systems. Facing the complexity of electronic equipment, it is difficult to predict the causes of failures whether hardware or functional. Thank to a systemic approach we present how to predict the ESD impacts through simulation. The proposed methodology is based on the development of dedicated measurement methods and purely behavioral models. The approach gives the opportunity for system level co-design that can be used either by IC founders or equipment manufacturers.

Résumé

De par l’évolution des technologies des semi-conducteurs et la multiplication d’applications embarquées dans des environnements sévères, les défaillances induites par des décharges électrostatiques (ElectroStatic Discharges - ESD) deviennent une préoccupation majeure. Les ESD sont des sources puissantes d’interférences pouvant générer la destruction des systèmes électroniques et des pertes de fonctions, réduisant fortement la fiabilité des équipements. Ceci est d’autant plus critique pour les applications aéronautiques et automobiles où la sécurité des personnes dépend de la robustesse des produits électroniques embarqués. Les travaux présentés dans ce mémoire présentent les huit dernières années d’activité de recherche que j’ai menées au sein du groupe ISGE (Intégration des Systèmes pour la Gestion de l’Energie) puis ESE (Energie des Systèmes Embarqués) sur la problématique de l’impact des décharges électrostatiques sur les systèmes. Face à la complexité des équipements électroniques, il est aujourd’hui difficile de prédire les causes de défaillance qu’elles soient matérielles ou fonctionnelles. Grâce à une démarche systémique, nous présentons comment prédire par la simulation l’impact des ESD. La méthodologie proposée s’est appuyée sur le développement de méthodes de mesure spécifiques et le développement de modèles purement comportementaux. La démarche ouvre la voie à la Co-conception de systèmes fiables aussi bien utilisables par les concepteurs de circuits intégrés que par les équipementiers.

135934
14667
16/12/2014

New concepts for normally-off power Gallium Nitride (GaN) High Electron Mobility Transistor (HEMT)

S.HAMADY

ISGE

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 16 Décembre 2014, 121p., Président: J.G.TARTARIN, Rapporteurs: Y.CORDIER, C.FRANCIS, Examinateurs: F.LETERTRE, M.GAVELLE, F.MEDJOUB, Directeurs de thèse: F.MORANCHO , N° 14667

Lien : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01132563

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Abstract

AlGaN/GaN HEMTs are very promising candidates for high frequency applications with high power and low noise. While switching applications strongly demand normally-off operation, conventional HEMTs attain a channel populated with electrons at zero gate voltage making them normally-on. For the sake of achieving normally-off HEMTs, several structures have been proposed such as recessed gate structures, fluorine ion treatment, pn junction gate structures, thin AlGaN barrier and Gate Injection transistor. The effectiveness of the agent used to obtain normally-off, whether it is recessing the gate, introducing a cap layer or implanting fluorine, increases as the agent comes closer to the AlGaN/GaN interface. Unfortunately, when introducing a cap layer or recessing the gate, coming closer to the interface means decreasing the barrier thickness, which strongly affects the density of the 2DEG. In the case of fluorine implantation, getting closer will increase the probability of fluorine ions getting into the channel and hence degrade the mobility of the 2DEG. In this work we propose two new concepts to achieve normally-off operation. We suggest the introduction of negative fluorine ions on one hand or a p-GaN region on the other hand, below the channel, under the AlGaN/GaN interface and away from high current density regions. After calibrating the simulator using experimental results from a normally-on HEMT device, we have shown that our proposed structures are more effective: the concentration required to achieve normally-off operation is lower than in the other existing solutions and the confinement of the two dimensional electron gas below the gate is better. The proposed ideas were also applied to Metal Insulator Semiconductor HEMT (MIS-HEMT) and Gate Injection Transistor (GIT), giving rise to a normally-off HEMT with high controllable threshold voltage.

Résumé

Les transistors à haute mobilité électronique (HEMTs) en AlGaN/GaN sont des candidats très prometteurs pour les applications haute fréquence, forte puissance et faible bruit. Alors que les applications de puissance exigent des interrupteurs normally-off, les HEMTs conventionnels sont, eux, normally-on, leur canal (gaz bidimensionnel d’électrons 2DEG) étant peuplé d’électrons pour une tension de grille nulle. Plusieurs structures de HEMTs ont été récemment proposées afin de satisfaire à la fonctionnalité normally-off : les plus notables sont celles à grille enterrée (“recessed gate”), à traitement aux ions fluor, à grille de jonction pn, à fine barrière d’AlGaN et à injection de grille (“Gate Injection Transistor”). L’efficacité de l’ « agent » utilisé pour obtenir la fonctionnalité “normally-off”, que ce soit une grille enterrée, une couche barrière ou du fluor implanté, augmente lorsque cet agent se rapproche de l’interface AlGaN/GaN. Malheureusement, introduire une couche barrière ou enterrer une grille proche de cette interface implique une diminution de la hauteur de barrière, ce qui affecte fortement la densité du gaz 2DEG. Dans le cas d’une implantation de fluor, se rapprocher de l’interface augmente la probabilité que des ions de fluor pénètrent dans le canal et dégradent ainsi la mobilité du 2DEG. Dans ce travail nous proposons deux nouveaux concepts pour réaliser la fonctionnalité normally-off. Nous suggérons l’introduction d’ions fluor négatifs d’une part ou d’une région P-GaN d’autre part, sous le canal et sous l'interface AlGaN/GaN, loin des régions à forte densité de courant. Après étalonnage du simulateur, à partir de résultats expérimentaux d’un dispositif HEMT conventionnel normally-on, nous avons montré que les structures proposées étaient plus efficaces : la concentration requise pour réaliser la fonctionnalité normally-off est plus faible que dans les solutions existantes et le confinement du gaz 2D d’électrons sous la grille est meilleur. Les idées proposées ont été aussi appliquées au Métal-Isolant-Semiconducteur HEMT (MIS-HEMT) et au Gate Injection Transistor (GIT), mettant en évidence la possibilité d’obtenir des HEMTs normally-off avec des tensions de seuil élevées.

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