Characterization, modeling and aging behavior of GaN power transistors
Caractérisation, Modélisation et Comportement au vieillissement de transistors GaN
Résumé
Seeking green cities, reducing the greenhouse effect and finding a substitute to oil uses are all strong reasons that attract research and industry to find other alternatives. One of these solutions is a broader use of electrical energy. Over the years, this energy vector has been widespread by using power electronics in many automotive, aeronautical and military applications. A power electronics system is mainly composed of power components such as diodes and transistors. Depending on the applications, these components may have specific characteristics to withstand severe operating conditions such as high temperature, high power and high-frequency operations. In order to reach these characteristics, the power devices must be made of specific semiconductor materials. Initially, the most common semiconductor material (Silicon) is used, but it shows some performance limitations for power electronics applications. Over the last two decades, with research and development, there has been new materials that have demonstrated better characteristics than Silicon. Silicon Carbide (SiC) and Gallium Nitride (GaN) have shown many advantages for use in power electronics. They represent the materials estimated to be widely used for power electronics shortly; they have attracted significant interest benefiting from their excellent semiconductor properties. Power components based on these materials have recently attracted much attention. They have presented the fashion in which the scientific community has not ceased to work on it.The presence of advantages for a device is not sufficient before its emergence in real applications. The reliability issue is essential and represents an inevitable phase before validating its use. Although GaN components have shown many advantages, users are wondering: “Are we ready to use these components in real applications?” Much current research is underway to answer this question. In this thesis, we will participate in the answer. The main objective of this thesis is to study some elements of the GaN High Electron Mobility Transistors (HEMT) reliability for power applications. The power transistors reliability study is carried out by a lot of theoretical and experimental works. It can be performed at the semiconductor, packaging or system level. In this thesis, we present theoretical and experimental works carried out only at the semiconductor level.GaN transistors suffer from a reversible physical phenomenon called “trapping”, this phenomenon represents a source of instability of the device physical and electrical characteristics. It has presented an essential element for the reliability works of GaN HEMTs. The full understanding of the effect of this phenomenon and its evolution with ageing is not yet fully accomplished. In this thesis, we present theoretical and experimental works to understand better the reliability linked to this phenomenon and the possible interaction with ageing in power cycling conditions. This work was carried out within the framework of the French MEGaN project, founded by the public investment bank (bpi France). These studies were carried out on two different components; the first one is manufactured and supplied by a project partner CEA-LET, the second one is a commercial power device fabricated by GaN-Systems Inc.
Les besoins de villes durables, la réduction de l'effet de serre et la recherche d'un substitut aux énergies fossiles sont autant de raisons qui poussent la recherche et l'industrie à trouver d'autres alternatives. Une de ces solutions est une utilisation plus large de l'énergie électrique. Au fil des années, ce vecteur d'énergie a été largement répandu en utilisant l'électronique de puissance dans des applications dans de nombreux domaines tels que l'automobile, l'aéronautique, ferroviaire, militaire…etc. Les systèmes électroniques de puissance sont composés en partie de composants actifs de puissance tels que des diodes et des transistors. Les applications nécessitant des profils de missions sévères en termes de températures ambiantes, de variations de températures de fortes amplitudes ou de fortes tensions requièrent des composants avec des caractéristiques spécifiques. Pour certaines des applications pour lesquelles les contraintes sont élevées, les composants doivent être à base de matériaux grands gaps comme le carbure de silicium (SiC) ou le nitrure de galium (GaN), le silicium quant à lui présentant certaines limitations. Les atouts et avantages liés à un composant ne sont malgré tout pas suffisants pour sa diffusion dans les applications. Les problèmes de fiabilité sont important et représentent une phase inévitable avant de valider son utilisation. Bien que les composants GaN aient montré de nombreux avantages, la question de leur fiabilité reste posée pour leur utilisation dans des applications. De nombreuses recherches sont en cours pour répondre à cette question. Les travaux menés dans cette thèse participent à cette réponse. L'objectif principal de cette thèse est d'étudier certains éléments de la fiabilité des transistors GaN à haute mobilité électronique (HEMT) pour les applications de puissance. L'étude de la fiabilité des dispositifs à semi-conducteurs nécessite des approches théoriques et expérimentales. Les composants doivent être conformes aux environnements sévères (correspondant à des applications réelles), et doivent également fonctionner de manière cohérente pendant de longues périodes. Parmi ces domaines, côté théorique, on peut citer la physique des semi-conducteurs, la modélisation mathématique et les simulations numériques multi physiques. En revanche, côté expérimental, cela débute par des caractérisations électriques, thermiques et physiques ainsi que des tests expérimentaux de vieillissement. Enfin, il est à noter l'importance de l'analyse des défaillances dans ce processus. Ces champs fournissent les éléments nécessaires pour étudier les modes de dégradation des dispositifs de puissance et réaliser une étude de fiabilité. Dans l'état actuel de la technologie, les transistors GaN souffrent encore d'un phénomène physique réversible appelé "piégeage", ce phénomène représente une source d'instabilité des caractéristiques physiques et électriques du dispositif. Il est un des éléments de fiabilité qu'il reste à résoudre pour les transistors HEMTs à base de GaN dans le domaine de la puissance. La pleine compréhension des effets de ces mécanismes et de leurs évolutions avec le vieillissement n'est pas encore complètement accomplie. Dans cette thèse, nous présentons des travaux théoriques et expérimentaux pour mieux comprendre la fiabilité liée à ce phénomène et l'interaction possible avec le vieillissement dans des conditions de cyclage de puissance.
Domaines
Energie électrique
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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