Contribution à l’étude des modes de dégradation des transistors HEMT à base de GaN pour les applications de puissance

Contribution to the study of degradation modes of transistors HEMT based on GaN for power applications.

• Auteur / Autrice : Malika Elharizi
• Direction : Zoubir Khatir
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 21/11/2018
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Systèmes et applications des technologies de l'information et de l'énergie (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2002-....)
• Jury : Président / Présidente : Dominique Planson
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Zoubir Khatir, Dominique Planson, Olivier Latry, Frédéric Morancho, Alain Bensoussan, René Escoffier, Ali Ibrahim, Eric Labouré
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Latry, Frédéric Morancho

Mots clés

Mots clés contrôlés

Commutation (électricité)

Électronique de puissance

Mots clés libres

Modes de défaillance

Transistor HEMT-GaN

Commutation cyclique

Vieillissement

Piégeage / de-Piégeage

Failure modes

Transistor HEMT-GaN

Switching cycles

Aging

Trapping/de-Trapping

Résumé

Les composants de puissance à base de GaN sont connus par l’instabilité de leurs caractéristiques électriques, en particulier la tension de seuil et la résistance à l'état passant. Cela est dû aux effets des mécanismes de piégeage/de-piégeage des charges dans la structure. Le travail présenté dans ce mémoire se compose de deux grandes parties. Dans un premier temps, nous mettons en évidence l’effet d’un certain nombre de paramètres de commutation sur l'évolution de la résistance dynamique avec des cycles de commutation successifs. Nous analysons, en particulier, l’effet de la tension au blocage, la fréquence de commutation et la température sur l'évolution de la résistance dynamique. Dans un deuxième temps, nous présentons les résultats des essais de cyclage de puissance effectués en utilisant 80K de variation de température de jonction sur des puces de puissance MOS-HEMT Al2O3/AlGaN/GaN Normally-On. Ensuite, nous réalisons des caractérisations de pièges, basées sur des analyses de mesures de courants transitoires pendant le processus de vieillissement. Les résultats montrent qu’une dégradation irréversible affecte la tension de seuil avec une dérive vers des valeurs négatives. Ces dérives sont principalement attribuables au piégeage cumulatif avec des cycles de puissance, probablement induits par des électrons chauds, d’une manière progressive et non récupérable.

Power components based on GaN are known by the instability of their electrical characteristics, in particular the threshold voltage and the on-state resistance. This is due to the effects of trapping/de-trapping mechanisms in the structure. The work presented in this memoir consists of two main parts. At the first step, we highlight the effect of a number of switching parameters on the evolution of the dynamic resistance with successive switching cycles. In particular, we analyze the effect of blocking voltage, switching frequency and temperature on the evolution of dynamic resistance. In a second step, we present the results of power cycling tests performed using 80K of junction temperature swing on Normally-ON Al2O3/AlGaN/GaN MOS-HEMTs. Then, we perform trap characterizations, based on the analyses of transient current measurements, during the aging process. The results show that irreversible degradation affects threshold voltage with drift to negative values. These drifts were mainly attributed to cumulative trapping with power cycles, probably induced by hot electrons, in a progressive and non-recoverable way.