L'électroluminescence des composants semiconducteur de puissance en SiC : du packaging à l'information // Electroluminescence of SiC power semiconductor devices: from packaging to information

L'émergence des composants semiconducteurs dits « grand-gaps » ces dernières années ouvre de nouveaux horizons en recherche et en innovation dans le domaine de l'électronique de puissance, et l'augmentation des niveaux de tensions permise par ces composants nécessitent de repenser la façon de les intégrer dans les convertisseurs de puissance. Si leurs caractéristiques électrique et thermiques sont extrêmement prometteuses et font l'objet de nombreuses études, un autre phénomène physique est particulièrement présent dans les semiconducteurs carbure de silicium (SiC) et nitrure de gallium (GaN) : l'électroluminescence.
L'électroluminescence est un phénomène physique d'émission de photons dans le spectre visible qui est intrinsèque aux semiconducteurs, pas seulement aux grand-gaps, mais qui est particulièrement intense chez ces derniers. Dans les MOSFETs 4H-SiC, c'est au niveau de la diode interne que le phénomène intervient. Deux raies spectrales dominent, dans l'UV à 390nm et le bleu vert à 510nm.
Ces raies spectrales sont porteuses de deux informations très précieuses pour le contrôle ou le diagnostic d'un convertisseur : la température de jonction Tj et l'intensité du courant dans le MOSFET SiC. Pour obtenir ces deux grandeurs de manières traditionnelles, il est nécessaire d'intégrer des capteurs intrusifs (notamment pour Tj ou des capteurs de courant à effet Hall) ou non isolés électriquement. La récupération de l'information lumineuse produite par électroluminescence permettrait d'obtenir deux données isolées électriquement sans influer sur le reste du système.
Pour récupérer cette information lumineuse, il est nécessaire de repenser l'ensemble du packaging du composant de puissance. En effet les boitiers actuels dans le commerce sont fermés pour protéger la puce et ne permettent pas d'observer l'information lumineuse. L'objectif de ces travaux de thèse sera de développer un packaging fonctionnalisé donnant accès à l'information lumineuse par intégration de fibres optiques tout en garantissant la protection de la puce et la réparabilité des fibres si celles-ci sont abîmés. En outre, une caractérisation des phénomènes parasites du boitier sera réalisée afin d'évaluer l'impact de l'introduction de fibres optiques sur la performance du packaging.
Le boitier fonctionnalisé développé dans cette thèse permettra d'ouvrir la voie à de nouvelles études qui seront basés sur l'utilisation de l'information lumineuse pour le contrôle ou le diagnostic des systèmes d'électronique de puissance basés sur des composants SiC : l'utilisation en temps réel de l'information lumineuse permettrait par exemple de monitorer la température de jonction à tout moment et de dresser ainsi des modèles de durée de vie résiduelle des MOSFETs. Un contrôle de courant en boucle fermé d'un convertisseur serait également possible de manière totalement isolée galvaniquement.
Ce projet pluridisciplinaire sera mené au G2Elab, où interviendront notamment 2 équipes de recherche, EP (Electronique de Puissance) et MDE (Matériaux diélectriques et électrostatique).
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Emergence of wide bandgap semiconductors in the last decades opens new scientific research and innovation horizons in the field of power electronics, since high voltage levels allowed by those components require to take a new look on the way to integrate them in power converters. If their electric and thermal characteristics are extremely appealing and are subject of numerous scientific studies, another physic phenomenon occurs in SiC (Silicium Carbide) and GaN (Gallium Nitride) semiconductors: electroluminescence.
Electroluminescence is a photon emission in the visible spectrum inherent to semiconductors, not only wide bandgaps, but the phenomenon is particularly intense in SiCs and GaNs. In MOSFETs 4H-SiC, electroluminescence occurs in the body diode of the component. Two spectral rays are dominant, one in UV at 390nm and one in blue-green at 510nm.
Those two spectral rays carry two precious pieces of information for control and diagnosis of power converters: junction temperature Tj and current in the MOSFET SiC. To obtain those measures, it is traditionally necessary to integrate intrusive sensors (especially for Tj or for Hall effect sensors) or non-electrically isolated sensors. Collecting electroluminescence light information would allow to obtain two electrically isolated pieces of data without influencing the rest of the system.
To harness this light-based information, it is necessary to think back the packaging of the semiconductor. Indeed, the chips are typically encapsulated in a closed package for protection hence blocking the light emission inside the box. The goal of this PhD project will be to develop an innovative packaging allowing to access the light information by integrating optical fibers in the design and guaranteeing chip protection and fibers convenient repairability in case of damages. In addition, a characterization of parasitic phenomena induced by the modified package will be conducted to evaluate the impact of optic fibers introduction in the package.
The modified package developed in this thesis will be the first brick of new studies based on the use of electroluminescent information for SiC MOSFETs based power electronic systems control and diagnosis. For instance, the use in real time of light-based information would allow to monitor junction temperature at every moment and thus to elaborate residual lifetime modellings of the MOSFETs. A totally electrically isolated closed loop current control of a power convert would also be possible. This kind of package could also be interesting for modularity on power electronics. Modularity in power electronics consists in putting in series or in parallel several commutation cells (up to several hundreds) in order to increase the voltage level (MOSFETs in serial, MMC) or reducing the components size (power converter array). In this framework, information from a module could be shared with adjacent modules through optic fibers, avoiding a less reliable communication bus.
This multidisciplinary project will be carried out in G2Elab, where 2 research teams will be involved, Power Electronics team and MDE team (dielectric and electrostatic materials).
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Début de la thèse : 01/10/2025

Contrat doctoral

Concours pour un contrat doctoral

Université Grenoble Alpes

220 EEATS - Electronique, Electrotechnique, Automatique, Traitement du Signal

- Niveau M2 ou diplôme d'ingénieur en génie électrique - Bases solides en électronique de puissance - Appétence pour les travaux expérimentaux, la mesure et le montage de bancs d'essais - Des notions de physique des semiconducteurs seraient appréciées - Bonne maitrise de l'anglais (écrit et oral) indispensable - Ouverture d'esprit et culture scientifique
- Master or engineer degree in electrical engineering - Solid knowledge in power electronics - Appetite for experimental work, measurements and test bench realization - Notions in semiconductor physic would be a plus - Mastering english (written and spoken) is essential - Open mind and scientific culture