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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 Ă©taient David Malec, Alain Sylvestre.


  • Les composants semi-conducteurs de puissance sont aujourd'hui au c?ur des systèmes de conversion d'Ă©nergie et sont de plus en plus employĂ©s dans le domaine des transports, notamment dans des applications critiques induites par l'Ă©mergence des vĂ©hicules hybrides et d'avions plus Ă©lectriques. Durant l'exploitation des systèmes de conversion d'Ă©nergie, des contraintes significatives sont imposĂ©es aux composants semi-conducteurs de puissance, dĂ©gradant ainsi leur fonctionnement. Dans une application critique, ces dĂ©gradations peuvent activer la dĂ©faillance d'un système Ă©lectrique et ainsi avoir des consĂ©quences graves d'un point de vue Ă©conomique et de sĂ©curitĂ©. Il existe alors une forte demande concernant une comprĂ©hension des modes de dĂ©faillances et des mĂ©canismes de vieillissement des composants semi-conducteurs de puissance. Il en est de mĂŞme pour le dĂ©veloppement de nouvelles techniques de caractĂ©risations pour le suivi de leur vieillissement. Le suivi de l'Ă©volution de paramètres de l'oxyde de grille de vĂ©hicules tests par le biais de la mĂ©thode CapacitĂ©-Tension ou C(V) - couramment employĂ©e en micro-Ă©lectronique - et de la mĂ©thode de l'onde thermique ou MOT - dĂ©veloppĂ©e au sein du Groupe Énergie et MatĂ©riaux de l'IES -, ainsi que leur adaptation Ă  des composants semi-conducteurs de puissance, constituent l'essentiel du travail de cette thèse. Le couplage de la MOT Ă  la C(V) a permis de localiser sommairement les charges injectĂ©es dans l'oxyde de grille des vĂ©hicules tests lorsqu'ils ont Ă©tĂ© soumis Ă  des contraintes Ă©lectriques similaires Ă  celles subies dans les systèmes de conversion d'Ă©nergie.

  • Titre traduit

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


  • RĂ©sumĂ©

    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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