Caractérisation multiphysique du GaN et des composants GaN pour les applications de puissance

Multiphysics characterization of GaN materials and devices for power applications

• Auteur / Autrice : Atse Julien Eric N’Dohi
• Direction : Dominique Planson, Camille Sonneville
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nano et microelectronique, optique et laser
• Date : Soutenance le 03/03/2023
• 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 : Nathalie Malbert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Planson, Camille Sonneville, Nathalie Malbert, Bertrand Boudart, Martin Kuball, Sandrine Juillaguet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bertrand Boudart, Martin Kuball

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électronique de puissance

Mots clés libres

Electronique

Spectroscopie Raman

Cathodoluminescence

Nitrure de Gallium - GaN

Diode Schottky

Caractérisation physique

Caractérisation électrique

Electronics

Raman Spectroscopy

Cathodoluminecence

Gallium Nitride - GaN

Schottky diode

Physical Characterization

Electrical characterisation

Résumé

Malgré ses avantages technologiques, Le silicium présente des limites en raison de son incapacité à opérer sous haute tension à température et pression élevée. Ainsi, le besoin de recourir aux matériaux ayant des propriétés supérieures à celles du siliciumest de plus en plus grandissant. Les semi-conducteurs à grande bande d’énergie interdite comme le Carbure de silicium (SiC),le nitrure de gallium (GaN) et le diamant montrent les potentialités à travailler sous haute tension à cause de leur propriétéphysique respective. L’industrie des semi-conducteurs les considère comme de potentiels candidats pour l’électronique depuissance. En réalité, ces matériaux à grand gap peuvent être utiliser comme onduleurs, redresseurs de courant et même convertisseurs pour une distribution efficace et effective de l’énergie. Cependant, le chemin pour atteindre une série de production effective avec une maturité technologique et industrielle est encore longue parce que les récentes recherches ont montré que leur performance en tant que composants de puissance est épinglée par quelques phénomènes physiques comme l'apparition de défauts, les effets de contraintes mécaniques, le control du dopage de la couche ou la région active, les fuites et perte d’énergie. Ainsi, une analyse profonde de ces problèmes fondamentaux est requise pour permettre de trouver les solutions adéquates en vue d’optimiser leur performance. Dans cette thèse, nous avons confronté les propriétés physiques et électriques des matériaux et dispositifs GaN à travers une approche de caractérisations multi physiques et électrique tels que le micro Raman la cathodoluminescence et les mesures classiques de courant-tension I(V). L'objectif est de sonder la performance physique de ces matériaux de puissance, surtout ceux conçu à base du GaN parce que la mobilité des porteurs de charges dans le GaN et son énergie de bande interdite permettent aux composants de puissances fabriqués à base du GaN d’opérer dans les commutations de fréquences et radio fréquence élevée que ceux du SiC. Ainsi, le couplage de ces méthodes de caractérisation nous permettra d'avoir une vue profonde des mécanismes physiques qui régissent la performance du GaN sous haute tension et à saisir la contradiction existant entre les paramètres théoriques physiques établis par les simulations d'éléments finies et la réalité expérimentale.

Silicon power electronics has shown its limits due to its incapacity to sustain high voltage, high temperature and high frequency applications. Therefore, the need to resort to materials with larger band gap and solve silicon (Si) technological issues for high voltage operations has been getting more and more intense. Wide band gap materials such as Silicon Carbide (SiC), Gallium Nitride (GaN), and Diamond are very promising for power electronics because of their interesting physical properties such like high carrier mobility, high critical electric field and good thermal conductivity than Si that enable them to perform at high voltage and temperature domains. Semiconductors manufacturing companies indeed, consider them as potentials power or current converters, inverters and rectifers for improving home and industrial energy distribution and consumption in a better way. However, the road to get them into a larger mass production technology is still long because recent researches have shown that their performance is pinned by some physical phenomena such as structural defects appearance, strain and stress effects, doping and dopant control and effectivess and so on. Thus, ruling out these problems by a deep understanding of the physical mechanisms behind them is a key option in optimizing their performance. In this thesis, we confronted the physical and electrical properties of GaN material and devices through multiphysics and electrical characterizations approach such as micro Raman, cathodoluminescence and classical current-voltage I (V) measurements. The objective is to get an insight into the physical performance of these power electronic materials (SiC, GaN), especially of GaN based power devices due to their higher carrier mobility compared to SiC and their growing technology maturity for mass production and distribution; and suggest if possible, ways of optimizing their operating abilities at a micro level. The coupling of these characterization methods allow us to have a deep view of the physical mechanisms that support the high voltage or temperature operation of these GaN based materials and as well as help us to grab the discrepancy existing between physical theoretical parameters established through finite elements simulations and true experimental value.