La soutenance de thèse de Lucien GHIZZO intitulée : « Fiabilité fonctionnelle du HEMT GaN moyenne tension en régime de stress électriques ciblés et aggravés », aura lieu le mercredi 18 septembre à 14h30 en salle des thèses (C002) à l’ENSEEIHT, 2 rue Charles Camichel.
Résumé :
Dans contexte de transition énergétique, le transistor grand gap HEMT GaN permet de repousser les limites des composants en silicium notamment dans les alimentations embarquées compactes et performantes.
Néanmoins le manque de connaissances sur la fiabilité vis-à-vis de stress électriques fonctionnels ainsi que sa durabilité en conditions de fonctionnement répétitif intensif représentent le principal obstacle pour l’utilisation de cette technologie.
Il apparaît essentiel d’établir et de comprendre les mécanismes physiques de dégradation spécifiques au HEMT GaN. L’objectif de cette thèse CIFRE Thales avec les laboratoires Laplace et LAAS-CNRS est de pouvoir relier le stress fonctionnel à une signature électrique de dégradation obtenue par des mesures de caractérisations électriques et à une nature physique de défaut obtenue par l’analyse de défaillance. Cela permettrait d’identifier par retro-analyse les causes racines les plus probables de la dégradation observée sur un composants lors de retours d’expériences des applications de Thales ou de leurs clients.
Cette thèse propose d’appliquer des stress électriques fonctionnels amplifiés et ciblés pour explorer les régimes de surcharge modérée à extrême. Des bancs spécifiques ont été conçus afin d’étudier indépendamment chaque stress propre à chaque type d’application de conversion de puissance.
Ainsi, l’étude réalisée aborde l’effet des paramètres de stress en tension rencontrés dans une application de conversion DC-DC et DC-AC en particulier l’effet de la tension du bus continu (2/3 ou 120\% du calibre) et de l’énergie de commutation.
Les résultats obtenus ont permis de montrer que les mécanismes de défaillance sont fortement liés au type de stress appliqué et à la référence de composant. Un stress dynamique à basse tension pourra conduire à des défaillances au niveau de la grille. L’effet des plaques de champ est annulé avec le stress électrique faisant augmenter le champ électrique sur la grille jusqu’à atteindre sa limite de claquage.
Un stress à tension à 120\% du calibre conduit à l’apparition de défauts cristallins dans la couche de GaN introduisant l’augmentation du courant de fuite vertical sous le drain. Un stress de surcharge en tension peut dans certains cas conduire à la même nature de défaut mais de manière plus localisée dans la structure ou bien à un défaut métallique provoqué par la fonte de la plaque de champ, non rencontrés lors de stress avec commutations.
L’effet de la commutation (très) dure paramétrée par le réglage du temps mort entre les ordres de commande permettant de faire intervenir un phénomène de cross-conduction (un fort courant sous une tension transitoire importante) accélère le processus de dégradation lié au champ électrique sans provoquer de dégradations particulières.
Les stress en court-circuit ont permis de montrer une excellente robustesse expliquée par un phénomène de pincement du canal réduisant le courant de court-circuit. Le mécanisme de défaillance serait alors thermique et temporel et produit un courant de fuite de grille important.
La commutation douce a été également étudiée, en particulier la conduction en inverse qui a lieu lors des temps morts. Des dérives électriques du composant ont pu être constatées mais à cet instant aucun mécanisme de dégradation particulier et net n’a pu être constaté.
Les résultats obtenus ont permis de mettre en lumière de nouveaux mécanismes de dégradation et des propriétés propres à la technologie permettant de faire avancer la compréhension de la fiabilité des HEMT GaN de puissance. L’approche choisie et les différents stress étudiés ont permis de confirmer que le vieillissement du composant dépendait des condition d’usage. Ce dernier résultat montre que les moyens actuels de qualification et de test avant sa mise en service dans les systèmes doivent être adaptés.
Membres du jury :
M. Frédéric RICHARDEAU Directeur de recherche CNRS Occitanie Ouest Directeur de thèse
M. David TREMOUILLES Chargé de recherche CNRS Occitanie Ouest Co-directeur de thèse
M. Hervé MOREL Directeur de recherche CNRS Rhône Auvergne Rapporteur
M. Pascal DHERBECOURT Professeur des universités Université de Rouen Normandie Rapporteur
Mme Nathalie BATUT Maître de conférences Université de Tours Examinatrice
M. Zoubir KHATIR Directeur de recherche Université Gustave Eiffel Examinateur
