Contribution à l'étude de la fiabilité des MOSFETs en carbure de silicium

Study of silicon carbide MOSFETs reliability

• Auteur / Autrice : Thomas Santini
• Direction : Bruno Allard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 25/03/2016
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AMPERE - Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie Environnementale et Applications (Rhône) - Ampère
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Ampère, Département Méthodes pour l'Ingénierie des Systèmes
• Jury : Président / Présidente : Zoubir Khatir
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Allard, Zoubir Khatir, Pierre-Etienne Labeau, Olivier Latry, Mitra Fouladirad, Antoine Grall, Sébastien Morand, Christian Moreau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre-Etienne Labeau, Olivier Latry

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électronique de puissance

Mots clés libres

Electronique

Electronique de puissance

MOSFET SiC

Fiabilité

Durée de vie

Test de dégradation accéléré

Processus gamma

Remaining Useful Life - RUL

Electronics

Power Electronics

MOSFET SiC

Reliability

Life time

Accelerated Degradation Test

Gamma Process

Remaining Useful Life - RUL

Résumé

Ces dernières années ont vu apparaître sur le marché les premiers transistors de puissance de type MOSFET en carbure de silicium. Ce type de composant est particulièrement adapté à la réalisation d’équipement électrique à haut rendement et capable de fonctionner à haute température. Néanmoins, la question de la fiabilité doit être posée avant de pouvoir envisager la mise en œuvre de ces composants dans des applications aéronautiques ou spatiales. Les mécanismes de défaillance liés à l’oxyde de grille ont pendant longtemps retardé la mise sur le marché des transistors à grille isolée en carbure de silicium. Cette étude s’attache donc à estimer la durée de vie des MOSFET SiC de 1ére génération. Dans un premier temps, le mécanisme connu sous le nom de Time Dependent Dielectric Breakdown(TDDB) a été étudié au travers de résultats expérimentaux issus de la bibliographie. Notre analyse nous a permis de justifier de l’emploi d’une loi de Weibull pour modéliser la distribution des temps à défaillance issue de ces tests. Les résultats nous ont également permis de confirmer l’amélioration significative de la fiabilité de ces structures vis-à-vis de ce mécanisme. Dans un second temps, l’impact du mécanisme d’instabilité de la tension de seuil sur la fiabilité a été quantifié au travers de tests de vieillissement de type HTGB. Les données de dégradation ainsi collectées ont été modélisées à l’aide d’un processus gamma non-homogène, qui nous a permis de prendre en compte la variabilité entre les composants testés dans des conditions identiques et de proposer des facteurs d’accélération en tension et en température pour ce mécanisme. Enfin, ces travaux ont permis d’ouvrir la voie à la mise en œuvre d’outils de pronostic de la durée de vie résiduelle pour les équipements électriques.

Recent years have seen SiC MOSFET reach the industrial market. This type of device is particularly adapted to the design of power electronics equipment with high efficiency and high reliability capable to operate in high ambient temperature. Nevertheless the question of the SiC MOSFET reliability has to be addressed prior to considering the implementation of such devices in an aeronautic application. The failure mechanisms linked to the gate oxide of the SiC MOSFET have for a long time prevented the introduction of the device. In this manuscript we propose to study the reliability of the first generation of SiC MOSFET. First, the mechanism known as the Time–Dependent Dielectric Breakdown is studied through experimental results extracted from literature. Our study shows the successful application of a Weibull law to model the time-to-failure distribution extracted from the accelerated tests. The results show also a significant improvement of the SiC MOSFET structure with respect to this phenomenon. In a second step, the impact of the threshold voltage instability is quantified through accelerated tests known as High Temperature Gate Bias. The collected degradation data are modeled using a non-homogeneous Gamma process. This approach allows taking into account the variability between devices tested under the same conditions. Acceleration factors have been proposed with respect to temperature and gate voltage. Eventually the study delivers a primary estimation of the remaining useful lifetime of the SiC MOSFET in a typical aeronautic application.