Analyse et caractérisation des performances électriques de composants en nitrure de Gallium

Analysis and characterization of the electrical performance of Gallium Nitride components

• Auteur / Autrice : Maroun Alam
• Direction : Dominique Planson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 26/01/2023
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Membre de : Université de Lyon (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AMPERE - Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie Environnementale et Applications (Rhône) - Ampère
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Morancho
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Planson, Frédéric Morancho, Nathalie Batut, Zoubir Khatir, Hervé Morel, Luong Viêt Phung
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nathalie Batut, Zoubir Khatir

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diodes à barrière de Schottky

Transistors de puissance

Électronique de puissance

Mots clés libres

Electronique de puissance

Composant de puissance

Transistor de puissance

Diode de puissance

Matériaux à large bande

Transistors à haute mobilité électronique - HEMT

Gaz 2D

Simulation TCAD

Stress

Commutation dure

Hétérojonction AlGaN/GaN

Diode Schottky

Power Electronics

Power Component

Power Transistor

Power Diode

Bandgap materials

HEMT - High Electronic Mobility Transistor

2D gas

TCAD simulation

Stress

Hard switching

AlGaN/GaN heterojunction

Schottky diode

Résumé

Le silicium est le matériau le plus utilisé pour la fabrication des composants de puissance, car il présente de bonnes propriétés électriques et un faible coût de fabrication. Néanmoins, pour des puissances élevées nécessaires dans les applications en électronique de puissance, le silicium présente sa limite. Pour cela, les développements s’orientent vers les matériaux à large bande interdite, comme le SiC, le GaN et le diamant. Ces matériaux sont utilisés dans ce domaine car ils présentent de meilleures propriétés électriques et physiques. Les HEMT (High Electron Mobility Transistor) sont construits à base d’une hétérojonction AlGaN/GaN, c’est-à-dire que la jonction de ces deux matériaux crée des contraintes mécaniques et conduit à une apparition d’électrons en formant un gaz 2D entre les deux matériaux, entraînant une grande densité d’électrons avec des vitesses élevées. Cependant, ces composants ne sont pas encore totalement fiables. Ainsi, cette thèse entre dans le cadre du projet européen IPCEI/Nano 2022 avec STMicroelectronics qui a pour objectif l’amélioration des performances des composants de puissance. Les travaux ont été divisés selon deux axes de travail. Le premier correspond aux simulations TCAD et dans ce cadre trois structures d’hétérojonction AlGaN/GaN (HEMT Normally On, Normally-OFF et diode) ont été définies. Afin de mieux comprendre l’influence du piégeage sur le comportement électrique et physique des différents dispositifs, des pièges ont été ajoutés dans la structure en variant la concentration de ceux-ci et l’énergie d’activation. Le deuxième axe concerne les caractérisations électriques. Des caractérisations ont été réalisées sur des diodes Schottky avec une hétérojonction AlGaN/GaN, et différents types de stress ont été appliqués avec pour objectif d’étudier l’évolution de la résistance dynamique. Premièrement, les stress quasi-statique ont été réalisés, correspondant à un passage de l’état bloqué à l’état passant pour une tension en inverse élevée. Deuxièmement, des commutations dures ont été appliquées avec un nouveau banc qui est le « Double Source Test ». Cela a été utilisé comme un stress dynamique. Finalement, un test de robustesse a été réalisé qui vise à appliquer des surcharges en courant afin d’observer l’évolution des paramètres physiques des diodes après stress.

Silicon is nowadays the most used material in the fabrication of transistors and power diodes because it has good electrical properties and a low manufacturing cost. Whereas, for the high powers required in power electronics applications, silicon presents its limit in this field. Thus, the research oriented towards wide bandgap materials, such as silicon carbide SiC, gallium nitride GaN, and diamond is increasing. These materials are used in this field because they exhibit better electrical and physical properties such as high saturation velocity, thermal conductivity, and large critical electric field. HEMT (High Electron Mobility Transistor) transistors are built based on a heterojunction of Gallium Nitride and Aluminum-Gallium Nitride (AlGaN/GaN). The junction of these two materials creates mechanic stresses and leads to an appearance of electrons by forming a 2D gas between the two materials where there is a high density of electrons with high speeds. However, these components are not yet completely reliable even if this is being improved. Thus, the aim of this thesis is to improve the performance of power diodes based on AlGaN/GaN heterojunction, extracted from a structure of a HEMT, based on simulations by finite elements (Technology Computer-Aided Design, TCAD) and electrical and physical characterizations on these components. This work is a part of the European IPCEI/Nano 2022 project with STMicroelectronics, which aims to improve the performance of power components. The first aim of this work is the TCAD simulations of three AlGaN/GaN heterojunction structures (HEMT Normally On, Normally-OFF and diode). To better understand the influence of the trapping phenomenon on the electrical and physical behavior of the different devices, traps were added in different regions and interfaces of the structure by varying the concentration of the traps and the activation energy. The second aim concerns electrical characterizations. Electrical characterizations were applied on 650 V Schottky diodes with an AlGaN/GaN heterojunction, and different types of stress were applied to study the evolution of the dynamic resistance. Firstly, the quasi-static stresses correspond to a transition from the off state to the on the state for a high reverse voltage. Secondly, hard switchings have been applied with a new switching bench which is the “Double Source Test”. This was used as dynamic stress. Finally, a robustness test was carried out on these diodes that aims to apply current overloads to observe the evolution of the physical parameters of the diodes after stress.