Etude de la fiabilité de composants GaN en conversion d'énergie

Evaluation of the reliability of GaN technologies in power conversion

• Auteur / Autrice : Omar Chihani
• Direction : Eric Woirgard, Loïc Théolier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 27/09/2018
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Nathalie Labat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mounira Bouarroudj-Berkani, Karine Isoird, Alain Bensoussan, Stéphane Azzopardi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Morancho, Dominique Planson

Mots clés

Mots clés contrôlés

Commande robuste

Gallium -- Composés

Transistors de puissance

Mots clés libres

GaN HEMT de puissance,

Caractérisation électrique

Robustesse

Modes de défaillance

Vieillissements accélérés

Power GaN HEMT

Robustness

Electrical characterization

Failure modes

Accelerated aging

Résumé

L’industrie des transports aéronautique et terrestre voit une augmentation constante de l’électrification de ses fonctions. Les actionneurs mécaniques ou hydrauliques sont au fil des évolutions technologiques remplacés par des actionneurs électriques.Les composants qui dominent le marché actuellement ne semblent plus capables de suivre la tendance. En effet, les composants de puissance à base de silicium règnent toujours sur le marché actuel, grâce à leur faible coût. Ce matériau commence par contre à atteindre ses limites théoriques en termes de performances. Dans ce contexte, différentes structures en semi-conducteurs à large bande interdite sont en train d’émerger afin de succéder au silicium.Cette étude a pour objectif d’évaluer la fiabilité des transistors de puissance à base de Nitrure de Gallium. Ces composants semblent être très prometteurs pour des applications moyennes puissances. Cependant, les mécanismes de défaillance dont peuvent souffrir ces composants ne sont pas encore suffisamment étudiés. L’étude consiste en l’application de vieillissements alliant contraintes thermiques et électriques. Ces vieillissements sont effectués à différentes conditions de tension et de température. L’objectif de cette méthode est, dans un premier temps, d’isoler l’effet de chaque facteur de stress sur l’état des composants, et dans un second temps, d’identifier les mécanismes de défaillances activés en fonction des conditions de vieillissement.Ce travail a permis d’identifier l’existence de différents mécanismes de défaillance pouvant être activés selon les conditions de vieillissement. En effet, il est apparu que la gamme de température de vieillissement utilisée influe grandement sur la prédominance des mécanismes de défaillance activés. Les résultats obtenus remettent en question les normes de qualification actuellement appliquées aux composants en Nitrure de Gallium. Ces normes devraient revoir à la hausse les températures de vieillissement utilisées afin de couvrir des gammes plus proches des températures d’utilisation pour ce type de composants.

The aeronautical and terrestrial transport industries know a steady increase in the electrification of their functions. In fact, the mechanical or hydraulic actuators are gradually replaced by electric ones.The components dominating the market today seem unable to follow the trend anymore. In fact, silicon-based power components still prevail in the current market, thanks to their low cost. However, this material begins to reach its theoretical limits in terms of performance. In this context, different wide bandgap semiconductor structures are emerging to take on from silicon.The aim of this study is to assess the reliability of power transistors based on Gallium Nitride. These components are very promising for medium power applications. However, the failure mechanisms of these components are not yet sufficiently studied. The study consists in the application of aging tests combining thermal and electrical stresses. These agings are carried out under different conditions of tension and temperature. The objective of this method is, firstly, to isolate the effect of each stressor on the state of the components, and secondly, to identify the failure mechanisms activated according to the aging conditions.This work made it possible to identify the existence of different failure mechanisms that can be activated according to the aging conditions. Indeed, it has emerged that the aging temperature range used influences the predominance of activated failure mechanisms. The results challenge the adequacy of current qualification standards for Gallium Nitride components. These standards should revise upwards the aging temperatures used to cover ranges closer to the operating temperatures of this kind of components.