Etude de la fiabilité et des mécanismes de dégradation dans les composants GaN sur Si pour des applications de puissance.

par AbygaËl Viey

Projet de thèse en Nano electronique et nano technologies

Sous la direction de Gérard Ghibaudo.

Thèses en préparation à l'Université Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal , en partenariat avec CEA/LETI (laboratoire) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    L'avènement des véhicules électriques et des batteries de stockage d'énergie ont conduit à une croissance très importante du marché des composants de moyenne puissance. Les futures générations de composants devront supporter des tensions de l'ordre de 600V et devront fonctionner à des hautes fréquences (1 MHz ou plus). Les composants GaN sur silicium sont vus à l'heure actuelle comme les meilleurs candidats pour atteindre ces spécifications. Le CEA-Leti développe sa propre filière GaN sur Si, partant du wafer de silicium allant jusqu'au module de puissance final. Dans ce cadre, les composants développés au Leti, possédant une architecture disruptive basé sur une grille de type MOS, ont récemment démontré d'excellentes performances statiques et dynamiques. Les dégradations temporelles sous stress (électriques, thermiques ...) ainsi que les mécanismes de défaillances des composants sont en revanche mal connus. Le but de la thèse vise à étudier la dégradation des performances des composants GaN sur silicium (diodes et transistors) au travers de techniques de caractérisation électriques avancées (BTI, TDDB, HTRB etc...). Une attention particulière sera apportée à la modélisation physique des phénomènes observés. Une partie du travail portera sur la compréhension des mécanismes de défaillances en utilisant des méthodologies de localisation de défauts (IR, LEM) pour ensuite remonter à l'origine physique de la défaillance par des méthodologies de nanocaractérisations (FIB, MEB, TEM, XPS ...). Le candidat devra être en étroite collaboration avec les équipes en charge de la réalisation et de la conception des composants afin d'apporter un support à l'évolution de la filière GaN sur silicium.

  • Titre traduit

    Study of reliability and degradation mechanisms of GaN on Si devices for power applications


  • Résumé

    GaN-on-Si power devices (HEMTs and Schottky Barrier Diodes) have recently emerged as a competitive solution for medium and low power applications (<650V), such as power converters, thanks to a excellent driving current capability and a high breakdown field. First normally-off commercial devices have been released during last two years showing high frequency performance and good electrical parameters stability over the time. This device generation based on a p-GaN gate is though limited in terms of maximum gate voltage to ensure a sufficient long term reliability. The CEA LETI have chosen a different gate architecture, based on a GaN adapted MIS structure, opening the path of a potential long term reliability breakthrough. The degradation and aging mechanisms of these novels devices are still not well understood and not enough systematically studied. The aim of the PhD is to explore new electrical characterization methods, recently developed for advanced CMOS technologies, to assess the stability of LETI GaN based power devices. Conventional reliability tests such as Bias Temperature Instabilities (BTI AC or DC), Time Dependent Dielectric Breakdown (TDDB) or power devices dedicated lifetime tests will be used to study the degradation mechanisms of our structures. Part of the work will be dedicated to analyze and understand the root cause of the failure mechanisms thanks to Light Emitting or IR Microscopy or MEB observations. Eventually the degradation physics will be modeled through analytical and numerical simulations.