Characterisation and modelling of parasitic effects and failure mechanisms in AlGaN/GaN HEMTs

International audienc

Contribution aux analyses de fiabilité des transistors HEMTs GaN ; exploitation conjointe du modèle physique TCAD et des stress dynamiques HF pour l’analyse des mécanismes de dégradation

Dans la course aux développements des technologies, une révolution a été induite par l’apparition des technologies Nitrures depuis deux décennies. Ces technologies à grande bande interdite proposent en effet une combinaison unique tendant à améliorer les performances en puissance, en intégration et en bilan énergétique pour des applications hautes fréquences (bande L à bande Ka en production industrielle). Ces technologies mobilisent fortement les milieux académiques et industriels afin de proposer des améliorations notamment sur les aspects de fiabilité. Les larges efforts consentis par des consortiums industriels et académiques ont permis de mieux identifier, comprendre et maîtriser certains aspects majeurs limitant la fiabilité des composants, et ainsi favoriser la qualification de certaines filières. Cependant, la corrélation et l’analyse physique fine des mécanismes de dégradation suscite encore de nombreux questionnements, et il est indispensable de renforcer ces études par une approche d’analyse multi-outils. Nous proposons dans ce travail de thèse une stratégie d’analyse selon deux aspects majeurs. Le premier concerne la mise en œuvre d’un banc de stress qui autorise le suivi de nombreux marqueurs électriques statiques et dynamiques, sans modifier les conditions de connectiques des dispositifs sous test. Le second consiste à mettre en oeuvre un modèle physique TCAD le plus représentatif de la technologie étudiée afin de calibrer le composant à différentes périodes du stress. Le premier chapitre est consacré à la présentation des principaux tests de fiabilité des HEMTs GaN, et des défauts électriques et/ou structuraux recensés dans la littérature ; il y est ainsi fait état de techniques dites non-invasives (c.-à-d. respectant l’intégrité fonctionnelle du composant sous test), et de techniques destructives (c.-à-d. n’autorisant pas de reprise de mesure). Le second chapitre présente le banc de stress à haute fréquence et thermique développé pour les besoins de cette étude ; l’adjonction d’un analyseur de réseau vectoriel commutant sur les quatre voies de tests permet de disposer de données dynamiques fréquentielles, afin d’interpréter les variations du modèle électrique petit-signal des modules sous test à différentes périodes du stress. Des résultats de vieillissement de composants HEMTs GaN à 4,2GHz, réalisés à température ambiante et pour différents points de compression de la puissance de sortie, sont interprétés, conduisant à des observations originales quant au mécanisme de dégradation identifié. Le troisième chapitre porte sur la simulation physique TCAD de transistor HEMT GaN ; ce modèle est calibré sur une filière industrielle (sur laquelle nous disposons de nombreuses données), mais peut-être adapté selon les aménagements technologiques d’autres filières. Notre modèle a été aménagé afin de rendre compte au premier ordre de l’impact des charges fixes (selon leur localisation) sur les instabilités des tensions de seuil et de la densité de porteurs dans le canal, observées après contraintes HTOL. Ce modèle permet de distinguer des effets propres au canal de ceux induits par la commande de grille. Dans le dernier chapitre, nous exploitons la technologie GaN développée à l’Université de Sherbrooke pour concevoir un prototype d’amplificateur mono-étage MMIC et hybride à 4,2GHz