B Méthodes et techniques employées pour la réalisation de l’IE effect

Dans la littérature, l’étude de cette amélioration particulière a fait l’objet de travaux menés majoritairement sur des composants hautes tensions (4,5kV) depuis une dizaine d’années maintenant. L’analyse et la compréhension du phénomène de l’IE effect se faisant à l’aide de

p(x,t) p1 IGBT x PiN p2 Concentration de porteurs Base N- Caisson P/P+ N+ J2 J3 Émetteur P+ J1 Anode Cathode

simulations [2D] numériques avec des logiciels à éléments finis. Dans la suite du texte nous appellerons IGBT « conventionnel » les IGBT planar et trench non optimisés pour assurer l’IE effect.

Afin de parvenir à réaliser l’IE effect, plusieurs méthodes ont été explorées. L’une d’elle consiste en la non mise en contact avec l’émetteur (la cathode ou source) de certaines cellules au sein des IGBT trench [Tak98] (Cf. figure 3.11). En fonctionnement normal, au sein d’un IGBT conventionnel, il ne peut y avoir d’accumulation de trous du côté de la cathode dans la région N- car les caissons P ne représentent pas de barrière pour ces porteurs minoritaires. Ils peuvent alors transiter à travers ces caissons pour atteindre le contact d’émetteur. En ne contactant pas certains caissons P avec la métallisation d’émetteur, une barrière pour les porteurs minoritaires est artificiellement créée et par conséquent une accumulation de trous au niveau des cellules non connectées. [Ogu00] et [Ino02] usent de la même technique dans le but de produire une amélioration d’injection dans les composants IEGT. Il existe alors un ratio entre le nombre de cellules contactées et le nombre total de cellule. Au final dans les travaux précédemment cités, il a été montré par simulation numérique que la chute de tension totale du composant diminuait de manière inattendue à mesure que le nombre de cellule contactée diminuait.

Figure 3.11 : Vue en coupe : exemple de cellules trench contactées 1 fois sur 2 dans un IEGT.

Nous avons vu une première méthode qui permet de réaliser l’IE effect. Cependant dans le cas où toutes les cellules d’un composant IGBT sont contactées il est également possible d’obtenir une amélioration d’injection du côté de la cathode [Kit93], [Kit95]. Dans un composant à tranchée, en mode de conduction normal les porteurs minoritaires qui proviennent de la base large et qui migrent vers la cathode doivent passer par une région

Cellule active

Contact de grille

Cellules contactées Contact d’émetteur

selon les différents auteurs diverses appellations mais nous la nommerons dans ce mémoire la région mesa (encadré en pointillé sur la figure 3.12). Les trous au sein de cette région ne peuvent se déplacer que par mécanismes de diffusion et ce flux de porteurs minoritaires peut alors être restreint par la configuration géométrique de cette région [Kon99]. Par opposition, le flux de porteurs majoritaires (flux d’e-) ne subit aucune restriction car celui-ci circule principalement à travers le canal d’inversion MOS et la couche d’accumulation formée le long de la tranchée profonde [Kit97]. Cette couche d’accumulation joue alors un grand rôle dans l’établissement de l’IE effect. Ce dernier est alors rendu effectif voir amplifié selon le cas pour un certain facteur de forme de la grille en tranchée. Ce facteur de forme peut se définir par la combinaison de trois paramètres géométriques qui sont (Cf. figure 3.12):

- la distance intra-cellule ou la longueur du caisson P (S), - la profondeur de la tranchée en regard de la base large (T), - et la longueur d’anode (W).

[Kit98] définit des critères de design pour l’IEGT en portant son raisonnement sur les rapports d’injection et donc d’efficacité d’injection. Le courant de trous est donc restreint par un facteur de forme dépendant de la géométrie à la fois de la tranchée et de la cellule. Le courant total circulant au sein du composant est défini comme la somme des courants d’électrons et de trous. Ainsi pour un courant total donné, la réduction du courant de trous signifie l’augmentation du courant de porteurs opposés. Le critère de design de l’IEGT est donc le suivant : définir un facteur de forme de sorte que la jonction entre la région mésa et la base large se rapproche le plus possible d’une jonction injectante d’émetteur N+. Si le facteur de forme (côté cathode du composant) est défini tel que l’efficacité d’injection d’électrons est proche de l’unité, alors l’IE effect est réalisé.

Nous avons vu jusqu’à présent que l’IE effect était identifié dans les composants à tranchée. Mais [Omu97] montre dans ses travaux que l’IE effect peut également exister dans une moindre mesure au sein de composants IGBT planar en optimisant cette fois ci les distances intercellulaires. Plus la distance entre caisson P est grande et plus la réduction de la chute de tension est grande.

Il est important de noter que l’IE effect est un mécanisme qui améliore grandement et principalement les caractéristiques des composants à l’état passant. Lors de la phase de turn- off, le comportement dynamique du composant ne subit quasiment aucune dégradation ou

tout du moins des variations non significatives ([DeM07] et [Udr97a]). En effet, à la phase d’ouverture du composant, une fois que le canal MOS est supprimé (par annulation de la tension de grille), la couche d’accumulation disparaît et l’injection d’électrons cesse instantanément. En conséquence de quoi la concentration de porteurs au niveau de la cathode chute de manière abrupte et la répartition des porteurs au sein du composant correspond à celle d’un transistor PNP. Le processus d’évacuation des charges se déroule alors classiquement. Cela signifie qu’un composant IEGT bénéficie d’un compromis chute de tension à l’état passant/ pertes en commutation bien meilleur qu’un composant IGBT. Enfin, [Tak98] montre que si l’IE effect est utilisé pour un composant trench, le compromis est rendu plus effectif que pour un composant planar du fait de la plus grande densité de courants au sein d’un composant à tranchée. La densité de courant supérieure compensant ainsi une possible réduction des pertes off par réduction d’injection de l’émetteur P+.

Figure 3.12 : Concept du facteur de forme côté cathode dans un IEGT à tranchée et le profil de trous correspondant. p(x,t) p1 IEGT x p2

Profil des porteurs au sein de la base N-d’un IEGT J2 J1 N+ Base N- P/P+ J3 Grille W J2 Région Mésa S T Courant e- Courant h+ Canal MOS Facteur de forme = f(S,T,W)

3.4.C Prise en compte de l’IE effect dans les modèles de la