Etude et développement de capteurs thermiques pour composants de puissance

Study and development of thermal sensors for power components

• Auteur / Autrice : Charlotte Bryan
• Direction : Guillaume Savelli, Marc Plissonnier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 17/12/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Christophe Crebier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Christine Record
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Katir Ziouche, Clotilde Boulanger

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transistors à effet de champ à dopage modulé

Nitrure de gallium

Gaz d'électrons

Mots clés libres

Capteur thermoélectrique

Effet Seebeck

Flux thermique

Gaz d’électrons (2DEG)

Nitrure de gallium (GaN)

Transistor HEMT

Thermoelectric sensor

Seebeck effect

Thermal flux

2D electron gas (2DEG)

Gallium nitride (GaN)

Hemt

Résumé

Depuis le début du siècle, la demande pour les composants de puissance a fortement augmenté. Ces composants sont principalement utilisés dans les circuits intégrés pour le marché de la communication, tel que celui des portables et des chargeurs, c’est-à-dire des applications nécessitant des fréquences de travail élevées de plusieurs GHz et pour des puissances allant jusqu’à 100 W. Pendant longtemps, ces dispositifs étaient réalisés à base de silicium, mais les limites de ce matériau pour ces composants ont été atteintes et de nouveaux matériaux ont émergé. Dans ce contexte, le nitrure de gallium (GaN) et le nitrure d'aluminium-gallium (AlGaN) ont été développés afin de créer de nouveaux dispositifs tels que les diodes de puissance et les transistors à mobilités électronique élevées (HEMTs). Ces HEMTs délivrent des puissances importantes, cependant, elles sont accompagnées d’une production de chaleur pouvant mener à la dégradation du câblage par fils et des boitiers. La gestion de la thermique dans ces dispositifs est donc une problématique majeure, tout comme dans la microélectronique de manière générale. Des diodes ainsi que des capteurs à base de matériaux thermistants, matériaux présentant des variations importantes de résistance en fonction de la température, sont généralement utilisés pour mesurer ces surchauffes. Cependant, ils nécessitent tous les deux des courants externes pour les faire fonctionner et prennent de la place supplémentaire dans les boitiers.Au cours de cette thèse, des capteurs thermoélectriques ont été développés. Ces capteurs sont basés sur l’effet Seebeck, effet qui convertit directement l’énergie thermique en énergie électrique. La tension de sortie des capteurs thermoélectriques est directement proportionnelle à la différence de température au sein du capteur et ils n’ont pas besoin d’énergie extérieure pour fonctionner. Ces capteurs permettent la lecture aussi bien d’une différence de température que d’un flux thermique. Il s’agit de la première réalisation de ce type de capteur dans les circuits de puissanceDeux types de capteurs ont été réalisés lors de la thèse : le premier est un capteur thermoélectrique « embarqué », il est fabriqué en même temps que le transistor HEMT, lui permettant d’être placé au plus proche de ce dernier pour une mesure en température plus précise. De plus, il est directement intégré dans la puce du transistor HEMT et ne prend donc pas de place supplémentaire dans le boitier. Cette intégration implique néanmoins qu’il doit suivre les règles de dimensionnement et de fabrication des transistors. Ce capteur utilise comme matériau actif le gaz d’électron 2DEG, qui est généré à l’interface de la couche d’AlGaN et de GaN pour le transport d’information électrique.Le deuxième type de capteur est un capteur thermoélectrique « autonome », il est fabriqué indépendamment du HEMT, il a donc moins de contrainte à respecter que les capteurs embarqués. Deux capteurs de ce type ont été fabriqués : un à base du 2DEG et l’autre à base de GaN dopé n. Suite à une étude approfondie effectuée au préalable sur les résistances de contacts et sur les propriétés thermoélectriques de ces deux matériaux, ces capteurs ont été réalisés pour délivrer des performances électriques les plus élevées.Les deux types de capteurs ont été testés pour différentes températures environnantes et sont tous fonctionnels. Dans les deux cas, différentes géométries ont été fabriquées afin de comparer cet effet sur la sensibilité des capteurs. Le capteur embarqué a également été testé lors du fonctionnement d’un transistor HEMT à côté duquel il a été disposé, ce qui constitue un cas réel de fonctionnement et d’utilisation de ces capteurs. Ces capteurs présentent des sensibilités pouvant aller jusqu’à 350 mV/K. De leur côté, les capteurs autonomes ont été caractérisés en utilisant des lignes chauffantes. Ils présentent des valeurs de sensibilité très élevées pouvant monter jusqu’à 14 V/K.

Since the start of the century, the demand for power components has risen sharply. Power components are used in integrated circuits for applications requiring high frequencies, of several GHz, and powers up to 100 W, mainly for mobile phones and chargers. Materials such as gallium nitride (GaN) and aluminium gallium nitride (AlGaN) have emerged in this field to create new power devices including power diodes and High Electron Mobility Transistors (HEMT), overcoming the limitations of silicon-based devices. HEMTs deliver high power and overheating can occur if they are not well managed, leading to the degradation of its cabling and packaging. Heat management in power circuits, as in electronic circuits in general, is a major issue. Diodes and sensors made from thermistant materials - materials with large variations in resistance as a function of temperature - are used to measure the HEMTs temperature, however, both of these require external currents to operate and use additional space in the device packaging.Thermoelectric sensors for power devices were therefore developed during this research; these sensors are based on the Seebeck effect, which directly converts heat into electrical energy. The output voltage of these thermoelectric sensors is directly proportional to the temperature difference along the sensor so no external energy is required. These sensors can measure a temperature difference and the heat flow can also be deduced. This work describes the first fabrication of such sensors.Two types of sensors were produced: the first is an on-chip sensor; it is fabricated at the same time as the HEMT transistor. This enables it to be placed as close as possible to the transistor for a more accurate temperature measurement. It is also directly integrated onto the HEMT chip so it does not take up additional space in the packaging, which implies that it must follow the same dimensioning and fabrication rules as the transistor. This sensor uses the 2D Electron Gas (2DEG) at the AlGaN and GaN’s interface for electrical transport.The second type of sensor is a stand-alone thermoelectric sensor designed to deliver higher electrical performance. It is fabricated independently, so has fewer constraints than the on-board sensors. Two stand-alone sensors were developed: one using the 2DEG and the other using an n-doped GaN. Their geometry was dimensioned using results from a study carried out beforehand on the contact resistances and on the thermoelectric properties of the two materials.Both types of sensors were tested and verified to be functional. Several geometries were fabricated for each type, and their sensitivities compared. The on-chip sensor was characterised while activating the adjacent transistor, which represents its intended function. The stand-alone sensors were characterised using metallic heat lines to their side. The measurements were taken at a number of different surrounding temperatures in each case. High sensitivities were obtained with these sensors: 350 mV / K for the on-board sensor and 14 V / K for the stand-alone sensor.