Développement d’un banc de mesure par thermoreflectance pour les composants de puissance

Development of a thermoreflectance measurement bench for power components

• Auteur / Autrice : Anass Jakani
• Direction : Jean-Christophe Nallatamby, Raphaël Sommet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique des Hautes Fréquences, Photonique et Systèmes
• Date : Soutenance le 29/11/2022
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie (Limoges ; 2022-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : XLIM
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Christophe Nallatamby, Raphaël Sommet, Denis Barataud, Mohamed Bouslama, Christophe Chang, Audrey Philippon-Martin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Claude De Jaeger, Stéphane Grauby

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation, Méthodes de

Thermique

Simulation par ordinateur

Thermoréflectance

Nitrure de gallium

Propriétés thermiques

Transistors à effet de champ à dopage modulé

Mots clés libres

Thermoreflectance

Les transistors HEMT GaN

Constantes de temps thermiques

La réduction d’ordre

Analyse par éléments finis

Simulation thermique

Résistance thermique

Thermoreflectance transitoire

Méthode 3ω

Méthode grille à grille

Thermoreflectance

GaN HEMT transistors

Thermal time constant

Model order reduction

Finite element analysis

Thermal simulation

Thermal resistance

Transient thermoreflectance imaging

3ω method

Gate resistance thermometry

Résumé

La forte demande de l'industrie électronique en termes de niveaux de puissance et de fréquences élevées a fortement encouragé le développement de la technologie des transistors HEMT en nitrure de gallium (GaN). Cependant, malgré les efforts accomplis sur d’optimisation thermique de ces composants par utilisation de substrats hautes performances tels que le SiC, la dégradation des performances électriques résultant de l'auto-échauffement du transistor dans les couches épitaxiées du dispositif pendant son fonctionnement reste un problème majeur. Dans ce travail, nous nous sommes intéressés à la thermique transitoire dans ces composants de puissance. Notre travail a été double. D’une part, à l'aide de la simulation numérique nous avons étudié théoriquement les constantes de temps mises en jeu en insistant à la fois sur l’influence de la couche la GaN et du substrat SiC mais également en examinant l’influence de la longueur de grille sur les performances thermiques des composants. Nous avons d’autre part mis en place pour la première fois au laboratoire, une mesure de température des HEMT GaN par thermoréflectance. Nous avons validé cette nouvelle approche par les méthodes électriques développées jusqu’alors au laboratoire. La thermoréflectance se révèle parfaitement complémentaire à nos autres outils de caractérisation thermique.

The strong demand of the electronics industry in terms of power levels and high frequencies has strongly encouraged the development of gallium nitride (GaN) HEMT technology. However, despite the efforts made on thermal optimization of these devices by using high performance substrates such as SiC, the degradation of the electrical performance resulting from the self-heating of the transistor in the epitaxial layers of the device during its operation remains a major problem. In this work, we focused on the transient thermal in these power devices. Our work was twofold. On the one hand, using numerical simulation, we have studied theoretically the time constants involved, insisting on the influence of the GaN layer and the SiC substrate, but also examining the influence of the gate length on the thermal performances of the devices. We have also implemented for the first time in the laboratory, a temperature measurement of GaN HEMTs by thermoreflectance. We have validated this new approach with the electrical methods developed so far in the laboratory. Thermoreflectance is perfectly complementary to our other thermal characterization tools.