Comparaison de méthodes de caractérisation thermique de transistors de puissance hyperfréquence de la filière nitrure de gallium

Comparison between thermal characterization methods for gallium nitride high-power hyperfrequency transistors

• Auteur / Autrice : Guillaume Brocero
• Direction : Bertrand Boudart
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 05/07/2018
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale mathématiques, information et ingénierie des systèmes (Caen)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de recherche en informatique, image, automatique et instrumentation de Caen (1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Caen Normandie (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Michel Mermoux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bertrand Boudart, Michel Mermoux, Jean-Pierre Landesman, Christophe Gaquière, Yannick Guhel, Philippe Eudeline, Christian Moreau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michel Mermoux, Jean-Pierre Landesman

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie Raman

Thermoréflectance

Thermométrie

Nitrure de gallium

Mots clés libres

Caractérisation thermique

GaN, HEMTs

Thermal characterization

Thermoreflectance

Raman spectroscopy

Résumé

Les composants HEMTs (High Electron Mobility Transistors) à base d’AlGaN/GaN sont à ce jour les candidats les plus prometteurs pour des applications hyperfréquences de puissance, dû essentiellement à leur forte densité de porteurs et des mobilités électroniques élevées. Cependant, la température générée en condition réelle est un paramètre capital à mesurer, afin d’estimer précisément la fiabilité des composants et leur durée de vie. Pour ces raisons, nous avons comparé les méthodes de caractérisation thermique par thermoréflectance et par spectroscopie Raman car elles sont non destructives et avec une résolution spatiale submicronique. Ces techniques ont déjà prouvé leur faisabilité pour la caractérisation thermique des transistors, en modes de fonctionnement continu et pulsé. Nous comparons dans cette étude leurs adaptabilité et performance dans le cadre de la réalisation d’un banc d’essai thermique dédié. Ces méthodes sont reconnues pour ne caractériser que certaines catégories de matériaux : les métaux pour la thermoréflectance et les semiconducteurs pour la spectroscopie Raman, ce qui nous a conduit à l’éventualité de les combiner. Nous avons confronté des résultats obtenus par thermoréflectance à partir des équipements de deux fabricants commercialisant cette méthode, nous permettant ainsi de mettre en évidence des résultats originaux sur des aspects et inconvénients qui ne sont pas relayés dans la littérature. Avec la spectroscopie Raman, nous avons identifié les paramètres de métrologie qui permettent de réaliser un protocole de mesure thermique le plus répétable possible, et nous présentons également une technique innovante pour sonder les matériaux en surface, à l'aide du même équipement, et notamment les métaux.

At the moment, AlGaN/GaN HEMTs (High Electron Mobility Transistors) are the most promising for high-power hyperfrequency applications, essentially due to their large carrier density and a high electronic mobility. However, the temperature generating during operational conditions is a crucial parameter to measure, in order to estimate the reliability and durability of components. For these reasons, we compared thermoreflectance and Raman spectroscopy, that are non-destructive and possessing a submicronic spatial resolution. These techniques have already proven their feasibility as thermal characterization methods in both continuous wave and pulsed operational modes. We compare here their adaptability and performance to the conception of a thermal test bench. These methods are known for characterizing specific types of material: metals for thermoreflectance and semiconductors for Raman spectroscopy, leading us to the eventuality to combine them. We compared several results measured by thermoreflectance method with equipment from two different manufacturers that commercialize this technology, so we could highlight some aspects and drawbacks that are note relayed in the literature. With Raman spectroscopy, we identified metrology parameters allowing to realize a thermal measurement setup as reproducible as possible, and we also present an innovative method to probe surface material, especially metals.