Dépôt de films minces multicouches par procédé hybride PVD/ALD pour améliorer la rigidité diélectrique des futurs dispositifs électroniques haute tension pour une aéronautique plus durable

L'aviation représente la deuxième source d'émissions de gaz à effet de serre du secteur des transports, juste après le transport routier, et le trafic aérien devrait continuer à croître au cours des prochaines décennies. Dans ce contexte, l'industrie aéronautique se réinvente autour des concepts « d'avion plus électrique » et, à plus long terme, « d'avion tout électrique ». Pour électrifier les aéronefs, les tensions des réseaux de bord vont augmenter de manière significative, atteignant des architectures de 800 V en courant continu (DC) dans un avenir proche (2035), tandis que des niveaux compris entre 1 000 V et 3 000 V DC sont envisagés à plus long terme, au-delà de 2050. Cette évolution soulève de nouveaux défis en matière d'isolation électrique pour les systèmes de conversion de puissance (AC/DC) à haute densité et pour les dispositifs électroniques, qui devront fonctionner de manière fiable sous des tensions plus élevées. Les semi-conducteurs de puissance à large bande interdite (GaN, SiC) joueront un rôle central dans ces enjeux. Toutefois, pour garantir un fonctionnement sûr, la surface supérieure des composants semi-conducteurs ainsi que toute pièce métallique critique du packaging doivent être isolées de manière adéquate à l'aide de matériaux à haute rigidité diélectrique — via un procédé technologique compatible — afin de séparer les contacts haute tension des contacts de masse. Les oxydes métalliques (SiO2, Al2O3, HfO2...) ou les (oxy)nitrures de silicium (SiNx, SiOxNy) en couches minces constituent les diélectriques traditionnels — appelés passivation de surface — des dispositifs électroniques ; ils sont généralement déposés par croissance thermique (quelques nanomètres à une dizaine de nanomètres), complétée par un dépôt chimique en phase vapeur (CVD) (quelques dizaines à une centaine de nanomètres). Bien qu'ils présentent une bonne rigidité diélectrique à court terme (3 à 10 MV/cm), ils souffrent encore de problèmes de fiabilité à long terme sous champ électrique élevé, en raison de l'apparition de défauts (irrégularité de croissance) lors du procédé de dépôt. Le dépôt physique en phase vapeur (PVD), et plus particulièrement la pulvérisation magnétron réactive, est une technique alternative bien adaptée à la réalisation de revêtements diélectriques épais. Cependant, la microstructure colonnaire qui en résulte — caractérisée par le développement de joints de grains, de micro-trous et de défauts alignés — crée des chemins de fuite continus à travers le diélectrique, réduisant ainsi sa rigidité diélectrique. Le dépôt de couches atomiques (ALD) offre une capacité complémentaire. Sa chimie de surface auto-limitante permet d'obtenir des couches parfaitement conformes, continues et exemptes de micro-trous, avec un contrôle de l'épaisseur à l'échelle sub-nanométrique. Toutefois, cela se fait au détriment de la vitesse de dépôt : environ ~1 nm/min, soit un ordre de grandeur de moins que par PVD. Une avancée majeure réside dans l'adoption d'une approche hybride de nanostratification [PVD/ALD] : le procédé PVD dépose la majeure partie du matériau à une cadence industrielle, tandis que des inter-couches nanométriques déposées par ALD (de 2 à 10 nm chacune) — exemptes de micro-trous et parfaitement conformes — viennent sceller les joints de grains colonnaires de la couche sous-jacente. Ainsi, chaque sous-couche PVD amorce une nouvelle nucléation sur une surface exempte de défauts au lieu d'hériter du réseau de défauts de la couche précédente, empêchant ainsi tout alignement des défauts. Par conséquent, cette thèse a pour ambition de créer une nouvelle classe de films inorganiques nanolaminés hybrides PVD/ALD (à la fois dans des oxydes et des nitrures) et vise à atteindre une rigidité diélectrique exceptionnelle et inédite, supérieure à 20 MV/cm, pour une épaisseur micrométrique et une vitesse de dépôt industrielle — des performances inaccessibles par l'un ou l'autre de ces procédés pris isolément. École doctorale : GEETS - Génie Electrique Electronique,Télécommunications et Santé : du système au nanosystème Direction : Sombel DIAHAM Financement : MSCA COFUND BEST