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Conception et caractérisation d'un transistor bipolaire de puissance haute tension en carbure de silicium à commande optique (H/F)

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Informations générales

Référence : UMR5005-HERMOR-002
Lieu de travail : VILLEURBANNE
Date de publication : mardi 3 septembre 2019
Nom du responsable scientifique : Dominique Planson
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 15 octobre 2019
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

Le contexte
Avec la transition énergétique, il existe un important développement des énergies renouvelables (énergies solaire et/ou éolienne). De nouveaux défis se posent parallèlement au développement de réseaux HVDC et MVDC capables de transporter l'électricité sur de longues distances et d'intégrer ces énergies renouvelables.
Les convertisseurs de puissance doivent transformer des tensions bien au-dessus du seuil de 10 kV et pouvoir supporter plusieurs centaines d'ampères pour être viables. Le transistor à semi-conducteur situé au cœur du convertisseur est alors fortement sollicité. Quelles que soient les améliorations successives, le silicium est une technologie qui a atteint ses limites théoriques pour cette plage de tensions et de densités de courant, de sorte que l'ensemble de l'industrie de l'électronique de puissance a opté pour des matériaux à large bande interdite.
Parmi ceux-ci, le carbure de silicium (SiC) est actuellement le plus avancé. La tendance actuelle est de poursuivre le développement de dispositifs pilotés par tension (MOSFET, IGBT). Bien que ces dispositifs deviennent de plus en plus fiables et compétitifs du point de vue des performances électriques, certaines barrières technologiques ne peuvent pas être surmontées: la résistance à l'état passant augment fortement avec la température ambiante et la tension dans le cas du MOSFET. Dans une telle situation, les dispositifs bipolaires semblent plus performants, mais la plupart d'entre eux souffrent d'une tension de seuil d'état non négligeable (thyristor, IGBT). De plus, les étapes de traitement du SiC-IGBT restent complexes par rapport aux normes actuelles.
Par conséquent, le transistor bipolaire (BJT) est un très bon candidat. La thèse consiste à développer un BJT à haute puissance en SiC. Sa spécificité notable est d'être piloté optiquement pour simplifier la conception du driver et économiser la consommation d'énergie.

Objectifs
Les objectifs de ce sujet de thèse sont de concevoir, fabriquer et caractériser un BJT en SiC à commande optique supportant une tension supérieure à 10 kV.
La conception s'appuiera sur la littérature relative à la physique du SiC et aux simulations par éléments finis (Synopsys Sentaurus) pour atteindre la tension de claquage cible (> 10 kV). Un soin particulier sera apporté au gain du dispositif afin de pouvoir commander optiquement grâce à une fenêtre optique adaptée. À cette fin, le modèle optique SiC devra être calibré si nécessaire. La disposition et la fabrication du masque doivent inclure les moyens technologiques disponibles en salle blanche. Les étapes de traitement seront soigneusement choisies pour inclure la fenêtre optique et pour maintenir la structure du dispositif exempte de défauts.

La caractérisation du composant (sur puce ou sous boîtier) est l'étape cruciale pour valider le déclenchement optique du BJT tout en présentant une tension de claquage supérieure à 10 kV. Des caractérisations optiques et électriques seront effectuées pour valider le concept de Phototransistor SiC pour les applications haute tension.

Contexte de travail

La thèse se déroulera principalement au laboratoire Ampère (www.ampere-lab.fr) dans le département de l'énergie électrique, sur son site de l'INSA de Lyon, Bât. Léonard de Vinci.
Le candidat s'intégrera à une équipe d'une dizaine de chercheurs et enseignant-chercheur spécialisée dans les composants de puissance à large bande interdite (SiC, GaN, Diamant).
Certains des tests expérimentaux, notamment optique pourraient être réalisés à ISL dans la région de Mulhouse.

Contraintes et risques

Une formation aux risques électriques sera requise.

Informations complémentaires

Cette thèse sera réalisée dans le cadre du projet ANR HV-PhotoSw, Project-ANR-18-CE05-0020.

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