Etude et développement de capteurs thermiques pour composants de puissance

Depuis le début du siècle, la demande pour les composants de puissance a fortement augmenté. Ces composants sont principalement utilisés dans les circuits intégrés pour le marché de la communication, tel que celui des portables et des chargeurs, c’est-à-dire des applications nécessitant des fréquences de travail élevées de plusieurs GHz et pour des puissances allant jusqu’à 100 W. Pendant longtemps, ces dispositifs étaient réalisés à base de silicium, mais les limites de ce matériau pour ces composants ont été atteintes et de nouveaux matériaux ont émergé. Dans ce contexte, le nitrure de gallium (GaN) et le nitrure d'aluminium-gallium (AlGaN) ont été développés afin de créer de nouveaux dispositifs tels que les diodes de puissance et les transistors à mobilités électronique élevées (HEMTs). Ces HEMTs délivrent des puissances importantes, cependant, elles sont accompagnées d’une production de chaleur pouvant mener à la dégradation du câblage par fils et des boitiers. La gestion de la thermique dans ces dispositifs est donc une problématique majeure, tout comme dans la microélectronique de manière générale. Des diodes ainsi que des capteurs à base de matériaux thermistants, matériaux présentant des variations importantes de résistance en fonction de la température, sont généralement utilisés pour mesurer ces surchauffes. Cependant, ils nécessitent tous les deux des courants externes pour les faire fonctionner et prennent de la place supplémentaire dans les boitiers.Au cours de cette thèse, des capteurs thermoélectriques ont été développés. Ces capteurs sont basés sur l’effet Seebeck, effet qui convertit directement l’énergie thermique en énergie électrique. La tension de sortie des capteurs thermoélectriques est directement proportionnelle à la différence de température au sein du capteur et ils n’ont pas besoin d’énergie extérieure pour fonctionner. Ces capteurs permettent la lecture aussi bien d’une différence de température que d’un flux thermique. Il s’agit de la première réalisation de ce type de capteur dans les circuits de puissanceDeux types de capteurs ont été réalisés lors de la thèse : le premier est un capteur thermoélectrique « embarqué », il est fabriqué en même temps que le transistor HEMT, lui permettant d’être placé au plus proche de ce dernier pour une mesure en température plus précise. De plus, il est directement intégré dans la puce du transistor HEMT et ne prend donc pas de place supplémentaire dans le boitier. Cette intégration implique néanmoins qu’il doit suivre les règles de dimensionnement et de fabrication des transistors. Ce capteur utilise comme matériau actif le gaz d’électron 2DEG, qui est généré à l’interface de la couche d’AlGaN et de GaN pour le transport d’information électrique.Le deuxième type de capteur est un capteur thermoélectrique « autonome », il est fabriqué indépendamment du HEMT, il a donc moins de contrainte à respecter que les capteurs embarqués. Deux capteurs de ce type ont été fabriqués : un à base du 2DEG et l’autre à base de GaN dopé n. Suite à une étude approfondie effectuée au préalable sur les résistances de contacts et sur les propriétés thermoélectriques de ces deux matériaux, ces capteurs ont été réalisés pour délivrer des performances électriques les plus élevées.Les deux types de capteurs ont été testés pour différentes températures environnantes et sont tous fonctionnels. Dans les deux cas, différentes géométries ont été fabriquées afin de comparer cet effet sur la sensibilité des capteurs. Le capteur embarqué a également été testé lors du fonctionnement d’un transistor HEMT à côté duquel il a été disposé, ce qui constitue un cas réel de fonctionnement et d’utilisation de ces capteurs. Ces capteurs présentent des sensibilités pouvant aller jusqu’à 350 mV/K. De leur côté, les capteurs autonomes ont été caractérisés en utilisant des lignes chauffantes. Ils présentent des valeurs de sensibilité très élevées pouvant monter jusqu’à 14 V/K.