Deep electrical characterization and modeling of parasitic effects and degradation mechanisms of AlGaN/GaN HEMTs on SiC substrates

Abstract

Les travaux de these s’inscrivent dans le cadre de deux projets: ReAGaN et ExtremeGaN avec des industriels (UMS, Serma Technologies, Thales TRT) et des laboratoires derecherche (LEPMI, LAAS et l’université de Bristol).Les deux technologies GaN (GH50 et GH25) étudiées dans cette thèse sont fournies parla société United Monolithic Semiconductors (UMS) et elles ont été qualifiées durant cettethèse. Plusieurs composants ont subi des tests de vieillissement accéléré en températureréalisés par UMS, ensuite une campagne de caractérisation électrique approfondie a étéréalisée au laboratoire IMS afin d’étudier les effets parasites et les mécanismes de dégradationqui limitent la fiabilté de cette filière.Le premier chapitre traite les bases du transistor HEMT à base de GaN. Les avantagesdu matériau nitrure de gallium ainsi que les substrats adaptés au HEMT à base de GaN sontprésentés. Une brève description du marché europeen des composants GaN est donnée.Ensuite, la structure ainsi que le fonctionnement du HEMT AlGaN/GaN sont décrit ainsi queles deux technologies d’UMS.Le deuxième chapitre présente les tests de vieillissement utilisés pour l’analyse defiabilité. Ensuite, un état de l’art des effets parasites et des mécanismes de dégradation desHEMTs AlGaN/GaN est donné. Le projet ReAGaN est décrit et les différentes techniques decaractérisation utilisées durant les travaux de cette thèse sont présentées.Le troisième chapitre est divisé en quatre études de cas ; les trois premières sont dans lecadre du projet ReAGaN et la quatrième dans le cadre du projet Extreme GaN. Dans lapremière étude de cas, les mécanismes de conduction qui augmentent les courants de fuitesdes HEMTs AlGaN/GaN issus de la technologie GH50 ont été étudiés. La deuxième étude decas est dédiée à l’étude d’un effet parasite électrique qui apparait après un vieillissementaccéléré en température sur la caractéristique de la diode Schottky en polarisation directe.Dans la troisième étude de cas, l’influence de la variation de la fraction molaire des HEMTsAlGaN/GaN sur les paramètres électriques a été analysée. La dernière étude de cas consiste enla détermination des limites de fonctionnement et l’aire de sécurité de la technologie GH25d’UMS en réalisant les mesures des lieux de claquage en mode diode et en mode transistor.