Analyse des propriétés de l'oxyde de grille des composants semi-conducteurs de puissance soumis à des contraintes électro-thermiques cycliques : vers la définition de marqueurs de vieillissement

par Ludovic Boyer

Thèse de doctorat en Génie électrique, électronique, photonique et systèmes

Sous la direction de Serge Agnel.

Le président du jury était Frédéric Saigné.

Le jury était composé de Serge Agnel, Frédéric Saigné, Jean-Louis Sanchez, Olivier Fruchier, Petru Notingher.

Les rapporteurs étaient David Malec, Alain Sylvestre.


  • Résumé

    Les composants semi-conducteurs de puissance sont aujourd'hui au c?ur des systèmes de conversion d'énergie et sont de plus en plus employés dans le domaine des transports, notamment dans des applications critiques induites par l'émergence des véhicules hybrides et d'avions plus électriques. Durant l'exploitation des systèmes de conversion d'énergie, des contraintes significatives sont imposées aux composants semi-conducteurs de puissance, dégradant ainsi leur fonctionnement. Dans une application critique, ces dégradations peuvent activer la défaillance d'un système électrique et ainsi avoir des conséquences graves d'un point de vue économique et de sécurité. Il existe alors une forte demande concernant une compréhension des modes de défaillances et des mécanismes de vieillissement des composants semi-conducteurs de puissance. Il en est de même pour le développement de nouvelles techniques de caractérisations pour le suivi de leur vieillissement. Le suivi de l'évolution de paramètres de l'oxyde de grille de véhicules tests par le biais de la méthode Capacité-Tension ou C(V) - couramment employée en micro-électronique - et de la méthode de l'onde thermique ou MOT - développée au sein du Groupe Énergie et Matériaux de l'IES -, ainsi que leur adaptation à des composants semi-conducteurs de puissance, constituent l'essentiel du travail de cette thèse. Le couplage de la MOT à la C(V) a permis de localiser sommairement les charges injectées dans l'oxyde de grille des véhicules tests lorsqu'ils ont été soumis à des contraintes électriques similaires à celles subies dans les systèmes de conversion d'énergie.

  • Titre traduit

    Gate oxide assessment of power semiconductor devices undergoing electro-thermal cycling stresses : toward a definition of ageing indicators


  • Résumé

    Power semi-conductor devices are increasingly used as key parts of embedded power conversion systems in critical applications such as aerospace industry and ground transport. In such critical applications, these devices are submitted to harsh electrical, thermal and mechanical environments stresses which may significantly alter their reliability. An embedded power conversion system failure due to a power semi-conductor device breakdown may induce catastrophic results in terms of human safety, as well as economical dimensions. There is, indeed, a continuous demand on an increasing knowledge concerning the failure modes and the ageing mechanisms of power semi-conductor devices, as well as for development of new characterization techniques for ageing monitoring. The greatest part of the present work is focused on the monitoring of gate oxide properties evolutions of samples structures using the Capacitance-Voltage method (C-V method) -mainly employed in microelectronics- and the Thermal Step Method (TSM) -developed in Energy and Materials Group of IES-, as well as applying them to power semi-conductor devices. Coupling TSM and C-V method has allowed to approximately locate injected charges in the gate oxide of sample devices when submitted to electrical stresses comparable to the ones submitted to power semi-conductor devices.


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