Etude expérimentale et modélisation des limites dimensionnelles de composants de puissance GaN pour convertisseurs haut rendement

Experimental and simulation study of GaN device size limitations for high efficiency power converters

• Auteur / Autrice : Florian Rigaud-Minet
• Direction : Dominique Planson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, micro et nanoélectronique, optique et laser
• Date : Soutenance le 20/03/2023
• 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 Labat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Planson, Nathalie Labat, Matteo Meneghini, Frédéric Morancho, Julien Buckley, Hervé Morel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Matteo Meneghini, Frédéric Morancho

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diodes

Nitrure de gallium

Convertisseurs électriques

Électronique de puissance

Mots clés libres

Electronique de puissance

Composant de puissance

Nitrure de Gallium - GaN

Hemt

Tension de claquage

Tcad

Commutation électrique

Diode Schottky

Claquage électrique

Power Electronics

Power Devices

GaN

GaN HEMT

Breakdown Voltage

TCAD Synopsys

Electrical switching

Schottky diode

Electrical breakdown

Résumé

De nos jours, l'électrification de notre société crée une demande croissante en technologies associées à la conversion d'énergie. Les transistors latéraux en Nitrures de Gallium (GaN) fabriqués sur des plaquettes en silicium permettent de réaliser des convertisseurs de puissance de plus haut rendement que leurs homologues en silicium pour des calibres de tension allant de 100 à 1000 V. Les applications visées sont les chargeurs de téléphones et d'ordinateurs portables, les chargeurs embarqués dans les véhicules électriques, les alimentations de data center, les micro-onduleurs pour le photovoltaïque et les convertisseurs de puissance pour l'électrification des avions. La réduction de la taille des transistors de puissance permettrait d'améliorer l'efficacité des convertisseurs. En effet, cela pourrait d'une part, de diminuer les pertes en commutation en réduisant les charges associées au transistor QXX et d'autre part, diminuer la résistance statique à l'état passant RDS,ON. Cependant, cette diminution de la taille des composants peut également abaisser la tension de claquage du dispositif ainsi que rendre la commutation plus sensible aux éléments parasites du circuit pouvant altérer sa stabilité. Dans cette thèse, la distribution du champ électrique et les pertes en commutation des composants de puissance latéraux en GaN (650 V) construits au CEA-Leti sont étudiés. Pour ce faire, une analyse de défaillances électriques et physiques a été menée sur des diodes Schottky avec différents designs et différentes connexions avec le substrat pour identifier le lieu de claquage et servir de référence aux études en simulations. Pour pouvoir étudier la distribution du champ électrique en simulation (TCAD) sur le logiciel Synopsys® SentaurusTM, une méthode de calibration des pièges dans les couches tampons basée sur des protocoles expérimentaux a été initiée. C'est une étape cruciale pour que les variations du champ électrique soient cohérentes avec les variations de tenue en tension expérimentales. Enfin, un nouveau banc de caractérisation pour étudier les pertes en commutation dure a été mis en place pour étudier l'impact du design et des procédés de fabrication des transistors. Les résultats donnent des lignes directrices pour la conception des futures générations de composants latéraux GaN.

Nowadays the electrification of our society leads to a huge demand for technologies related to power conversion systems. Lateral Gallium Nitride (GaN) transistors made on silicon wafers were shown to be more adapted for high-efficiency power conversion over their silicon counterparts in the mid-voltage range (100 V–1000 V) at a reasonable cost. The targeted power converters are phone or laptop chargers, on-board chargers in electric vehicles, data center power supplies, micro-inverters for photovoltaics and more-electric aircraft power converters. Power transistor scaling may be interesting to improve converter efficiency. Indeed, it could, on the one hand, reduce the transistor-related charges QXX decreasing the switching time and hence the switching losses or on the other hand, decrease the on-state static resistance RDS,ON. However, the scaling should also result in a reduction of the device breakdown voltage as well as a switching that is more sensitive to parasitics that may have disturbed its stability/losses. In this thesis, the electric field distribution management and the switching losses of lateral 650 V rated GaN--on-Silicon power devices built at CEA-LETI are studied. To do so, an electrical and physical failure analysis was performed to identify the voltage limitation of lateral GaN-on-Si diode test vehicles with different layouts and substrate connections. To study the electric field distribution by Technology Computer Assisted Design (TCAD) using Synopsys® SentaurusTM, the electric field variation should reproduce the experimental breakdown voltage. Thus, a buffer trap calibration method based on experimental protocols was initiated. Finally, a new hard switching characterization test bench was set up to study the transistor design and manufacturing process impact on the switching losses of lateral GaN-on-Si transistors. The results help to derive guidelines for the technology and design scaling of the future generations of fully recessed GaN-on-Si Metal Insulator Semiconductor High Electron Mobility Transistor (MIS-HEMT).