Thèse de Doctorat : Etude et analyse de la fiabilité électrothermique des transistors HEMT- GaN de puissance

Le poste proposé

Les travaux proposés auront lieu à CESI Nanterre et à SATIE Versailles-Satory.

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Résumé du projet de thèse :

Cette thèse concerne l’étude et l’analyse de la fiabilité électrothermique des composants semi-conducteurs à base de GaN, et qui sont appelés à jouer un rôle majeur en électronique de puissance étant donné leur potentiel. En effet, l’utilisation du GaN dans les convertisseurs de puissance permettrait de diminuer le volume et la masse des composants passifs du fait de l’augmentation de la fréquence de découpage, et de réduire la taille du système de refroidissement car les composants GaN peuvent travailler à haute température. Ce matériau peut être déposé par hétéro-épitaxie sur des substrats en Silicium, permettant ainsi une production sur des plaquettes de surface plus importante (150 à 200 mm de diamètre) moyennant la mise en œuvre de solutions innovantes. Le transistor HEMT (High Electron Mobility Transistors) à base d’hétéro-structure AlGaN/GaN fait l’objet de cette thèse [2-6]. De part ses mobilités électroniques élevées et un fonctionnement aux hautes températures exigé pour certains dispositifs, les transistors HEMTs laissent espérer des applications aussi diverses tels que les émetteurs récepteurs radar HF, télécommunications terrestres, chargeurs de véhicules électriques. Les performances de ce composant dépendent entre autre de la bonne qualité de sa couche active permettant un gaz bidimensionnel (2DEG), constituant le canal, induit par les effets de polarisation nécessaire au fonctionnement du composant. Le contrôle par la grille se fait par des tensions, négatives permettant la déplétion (cas du HEMT Normally–on) ou positives pour l’enrichissement (cas du HEMT Normally–off), de la zone du canal bidimensionnel entre la grille et le drain.

Objectif et contexte :

L’un des objectifs de la thèse est de caractériser et comprendre le comportement des composants HEMT GaN soumis à des stress électro-thermiques et thermo-mécaniques répétitifs. Les défauts connus tels que la résistance dynamique à l’état passant ainsi que les dérives de paramètres tels que la tension seuil, liés à des phénomènes de piégeages, peuvent éventuellement évoluer avec du vieillissement sous stress. A ce jour, leur comportement sous de telles conditions est encore mal connu.

La fiabilité du composant HEMT GaN est un aspect extrêmement critique pour assurer la viabilité de ce composant et rendre possible son utilisation pratique à large échelle. En effet, son utilisation sous certaines contraintes (stress électrique, thermique, etc) peut engendrer des phénomènes de dégradation dans la structure, et affecter les caractéristiques électriques statique et dynamique. La compréhension de la dégradation et des défaillances dans ces dispositifs est limitée par plusieurs facteurs : la combinaison de plusieurs matériaux, la géométrie complexe des dispositifs et de nombreux mécanismes de dégradation potentiels [7]. Ces facteurs induisent une instabilité des caractéristiques électriques. L’un des phénomènes observables lié à ces mécanismes est par exemple celui du Rdson dynamique [6] qui pénalise les performances à l’état statique passant. La dérive de la tension de seuil est provoquée par des mécanismes de piégeages de charges dans la structure suite à des stress électrothermique, induits par les polarisations sur les électrodes de grille et/ou de drain.

Les travaux de thèse proposés comprennent plusieurs actions :

– Etat de l’art : transistor HEMT GaN, stress électrothermique, etc…

– Analyse physique de l’influence de contraintes d’origines thermique et électrique sur le composant HEMT GaN

– Simulation 3D à l’aide du logiciel SENTAURUS [8] du HEMT GaN : Pour cela, le candidat doit dans un premier temps se familiariser avec le logiciel de simulation et simuler le composant. Cette simulation doit permettre, à partir des paramètres technologique et géométrique du transistor, le calcul des caractéristiques électriques. L’effet de la température sur les paramètres physique et électrique doit être pris en compte dans la modélisation des caractéristiques électriques. Dans un second temps, une modélisation des mécanismes de piégeage sera effectuée afin de simuler de manière représentative les effets sur la tension seuil et les phénomènes caractéristiques liés à ces défauts, notamment celui de la résistance dynamique à l’état passant.

– Prise en main des méthodes de test et de caractérisation en régimes statique et dynamique (I(V), C(V), VBR, commutation, etc…)

– Extraction des paramètres du dispositif dans son environnement. Ce travail devra déboucher sur une analyse comparative entre mesures et simulations.

– Analyses et interprétation des résultats