Deep electrical characterization and modeling of parasitic effects and degradation mechanisms of AlGaN/GaN HEMTs on SiC substrates

• Auteur / Autrice : Mehdi Rzin
• Direction : Nathalie Labat, Nathalie Malbert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 20/07/2015
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : : Université Bordeaux-I (1971-2013)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Christelle Aupetit-Berthelemot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Arnaud Curutchet, Benoît Lambert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christelle Aupetit-Berthelemot, Fabien Pascal

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nitrure de gallium

Carbure de silicium

UMTS (norme)

Fiabilité

Transistors à effet de champ à dopage modulé

Mots clés libres

HEMT

GaN

Mécanismes de dégradation

Effects parasites

Caractérisation électrique.

HEMT

GaN

Degradation mechanisms

Parasitic effects

Electrical characterization

Résumé

Les travaux de these s’inscrivent dans le cadre de deux projets: ReAGaN et ExtremeGaN avec des industriels (UMS, Serma Technologies, Thales TRT) et des laboratoires derecherche (LEPMI, LAAS et l’université de Bristol).Les deux technologies GaN (GH50 et GH25) étudiées dans cette thèse sont fournies parla société United Monolithic Semiconductors (UMS) et elles ont été qualifiées durant cettethèse. Plusieurs composants ont subi des tests de vieillissement accéléré en températureréalisés par UMS, ensuite une campagne de caractérisation électrique approfondie a étéréalisée au laboratoire IMS afin d’étudier les effets parasites et les mécanismes de dégradationqui limitent la fiabilté de cette filière.Le premier chapitre traite les bases du transistor HEMT à base de GaN. Les avantagesdu matériau nitrure de gallium ainsi que les substrats adaptés au HEMT à base de GaN sontprésentés. Une brève description du marché europeen des composants GaN est donnée.Ensuite, la structure ainsi que le fonctionnement du HEMT AlGaN/GaN sont décrit ainsi queles deux technologies d’UMS.Le deuxième chapitre présente les tests de vieillissement utilisés pour l’analyse defiabilité. Ensuite, un état de l’art des effets parasites et des mécanismes de dégradation desHEMTs AlGaN/GaN est donné. Le projet ReAGaN est décrit et les différentes techniques decaractérisation utilisées durant les travaux de cette thèse sont présentées.Le troisième chapitre est divisé en quatre études de cas ; les trois premières sont dans lecadre du projet ReAGaN et la quatrième dans le cadre du projet Extreme GaN. Dans lapremière étude de cas, les mécanismes de conduction qui augmentent les courants de fuitesdes HEMTs AlGaN/GaN issus de la technologie GH50 ont été étudiés. La deuxième étude decas est dédiée à l’étude d’un effet parasite électrique qui apparait après un vieillissementaccéléré en température sur la caractéristique de la diode Schottky en polarisation directe.Dans la troisième étude de cas, l’influence de la variation de la fraction molaire des HEMTsAlGaN/GaN sur les paramètres électriques a été analysée. La dernière étude de cas consiste enla détermination des limites de fonctionnement et l’aire de sécurité de la technologie GH25d’UMS en réalisant les mesures des lieux de claquage en mode diode et en mode transistor.

This thesis is in the framework of two projects: ReAGaN and Extreme GaN withindustrials (UMS, Serma Technologies, Thales TRT) and academics (LEPMI, LAAS andUniversity of Bristol).The studied AlGaN/GaN HEMTs are provided by the society United MonolithicSemiconductors (UMS) from the GH50 and GH25 GaN processes that were qualified duringthis thesis. Many devices were submitted to high temperature accelerated life tests by UMSand characterized at IMS laboratory to study the parasitic effects and degradationsmechanisms that are limiting the electrical reliability of GaN based HEMTs technology.The first chapter gives an overview of the basics of GaN based high electron mobilitytransistors (HEMTs). Gallium Nitride material features are reviewed as well as substratessuited for GaN based devices. GaN market in Europe and the main industrial actors are listed.Furthermore, the structure and operation of GaN based HEMTs are described. In the last part,the two UMS GaN processes are described.The second chapter presents the life tests that are used for reliability studies. State of theart of parasitic effects and degradation mechanisms of AlGaN/GaN HEMTs is given.Furthermore, the ReAGaN project in which the main part of this thesis is involved isdescribed. The electrical characterization techniques used at IMS during this thesis arepresented.The third chapter is divided into four case studies; three case studies are in theframework of ReAGaN project and the fourth one in the Extreme GaN project. In the firstcase study, we investigate the conduction mechanisms inducing the leakage current inAlGaN/GaN HEMTs issued from GH50 process. The second case study is dedicated to thestudy of an electrical parasitic effect that appears on the Schottky diode forward characteristicafter temperature accelerated life tests. In the third case study, we study the influence of Almole fraction on the DC electrical parameters of AlGaN/GaN HEMTs. The last case studyconsists in the determination of the limits and safe operating area (SOA) of UMS GH25 GaNHEMTs by carrying out the two and three terminal breakdown voltages measurements.