Role of interface configuration in diamond-related power devices

  1. Piñero Charlo, José Carlos
Supervised by:
  1. Daniel Araújo Gay Director
  2. M. Pilar Villar Castro Co-director

Defence university: Universidad de Cádiz

Fecha de defensa: 27 June 2016

Committee:
  1. Jean Daniel Ganière Chair
  2. Francisco Javier Navas Secretary
  3. Julien Pernot Committee member
Department:
  1. Ciencia de los Materiales e Ingeniería Metalúrgica y Química Inorgánica

Type: Thesis

Teseo: 399096 DIALNET lock_openRODIN editor

Abstract

Durante los años transcurridos en el desarrollo de esta tesis, la generación de energía eléctrica mundial habrá crecido a un ritmo medio anual del 3.6%, que refleja las crecientes necesidades de la sociedad en términos de suministro eléctrico (voltaje, densidad de potencia, frecuencia de uso, fiabilidad o temperatura de trabajo). Estas necesidades se están volviendo más exigentes, las pérdidas de energía deben ser reducidas y el rendimiento mejorado. El progreso de las recientes décadas en el campo de la electrónica de potencia no se debe sólo a la introducción de arquitecturas novedosas, sino también a la evolución de la composición de los dispositivos. El progreso actual está obstaculizado por las limitaciones inherentes al silicio, componente del que están fabricados la mayor parte de los dispositivos electrónicos de potencia actualmente disponibles comercialmente. Los semiconductores de ancha banda prohibida tienen propiedades particularmente atractivas para funcionar a altos voltajes y frecuencias en entornos de alta temperatura. Como semiconductores de ancha banda prohibida, los dispositivos basados en diamante semiconductor se han manifestado como un campo de investigación prometedor, no sólo por la amplia aplicabilidad en las ciencias biológicas, si no por sus extraordinarias propiedades eléctricas (elevada movilidad de portadores, alto valor de ruptura eléctrica y extraordinaria conductividad del calor). Tras casi quince años de investigación en diamante semiconductor se han resuelto gran cantidad de interrogantes, lo que ha permitido la aparición de los primeros prototipos. Es esta evolución en el conocimiento la que ha posibilitado la elección del diamante como candidato idóneo para la realización de componentes electrónicos de alta potencia, entendiendo estos dispositivos como aquellos que funcionan en condiciones de alta frecuencia de conmutación de señal. Paradójicamente, a pesar de sus numerosas ventajas y de los amplios estudios en esta materia, la explosión de las tecnologías basadas en diamante aún no ha llegado a su madurez. Esto es debido, fundamentalmente, a la mala calidad estructural en la implementación de los diseños ideados para los dispositivos electrónicos con canal activo de diamante. Adicionalmente, las limitaciones en las aplicaciones tecnológicas del diamante derivan de otras de sus propiedades extremas, como la dureza (que dificulta su clivaje) o la alta energía de activación de dopantes tipo n. Sin embargo, se han conseguido numerosos progresos en el crecimiento de estructuras de diamante para dispositivos eléctricos. En particular, estos esfuerzos han permitido minimizar la densidad de dislocaciones producidas durante el crecimiento de estructuras multicapa u optimizar la densidad de dopantes activos durante el crecimiento de capas dopadas (lo que ha requerido de amplios estudios sobre la incorporación del boro en la red cristalina del diamante). Paralelamente a los esfuerzos desarrollados en la comprensión y el estudio de la incorporación de dopantes en la red del diamante, se han desarrollado otros no menos loables avances en el diseño de estructuras óptimas para establecer contactos eléctricos en diamante. En la presente contribución, se evidencia el uso del diamante semiconductor como base para un dispositivo de alta potencia con canal activo de diamante, las diversas alternativas de diseño, sus técnicas de estudio y las características eléctricas de los primeros prototipos de los diferentes dispositivos.