Dans le contexte de transition énergétique, le transistor grand gap HEMT GaN permet de repousser les limites des composants en silicium notamment dans les alimentations embarquées compactes et performantes. Néanmoins le manque de connaissances sur la fiabilité vis-à-vis de stress électriques fonctionnels ainsi que sa durabilité en conditions de fonctionnement répétitif intensif représentent le principal obstacle pour l’utilisation de cette technologie.
Il apparaît essentiel d'établir et de comprendre les mécanismes physiques de dégradation spécifiques au HEMT GaN. L’objectif de cette thèse CIFRE Thales avec les laboratoires Laplace et LAAS-CNRS est de pouvoir relier le stress fonctionnel à une signature électrique de dégradation obtenue par des mesures de caractérisations électriques et à une nature physique de défaut obtenue par l’analyse de défaillance. Cela permettrait d’identifier par retro-analyse les causes racines les plus probables de la dégradation observée sur un composant lors de retours d’expériences des applications de Thales ou de leurs clients.
Cette thèse propose d’appliquer des stress électriques fonctionnels amplifiés et ciblés pour explorer les régimes de surcharge modérée à extrême. Des bancs spécifiques ont été conçus afin d’étudier indépendamment chaque stress propre à chaque type d’application de conversion de puissance.
Ainsi, l’étude réalisée aborde l’effet des paramètres de stress en tension rencontrés dans une application de conversion DC-DC et DC-AC en particulier l’effet de la tension du bus continu (2/3 ou 120% du calibre) et de l’énergie de commutation.
Les résultats obtenus ont permis de montrer que les mécanismes de défaillance sont fortement liés au type de stress appliqué et à la référence de composant. Un stress dynamique à basse tension pourra conduire à des défaillances au niveau de la grille. L’effet des plaques de champ est annulé avec le stress électrique faisant augmenter le champ électrique sur la grille jusqu’à atteindre sa limite de claquage.
Un stress à tension à 120% du calibre conduit à l’apparition de défauts cristallins dans la couche de GaN introduisant l’augmentation du courant de fuite vertical sous le drain. Un stress de surcharge en tension peut dans certains cas conduire à la même nature de défaut mais de manière plus localisée dans la structure ou bien à un défaut métallique provoqué par la fonte de la plaque de champ, non rencontrés lors de stress avec commutations.
L’effet de la commutation (très) dure paramétrée par le réglage du temps mort entre les ordres de commande permettant de faire intervenir un phénomène de cross-conduction (un fort courant sous une tension transitoire importante) accélère le processus de dégradation lié au champ électrique sans provoquer de dégradations particulières.
Les stress en court-circuit ont permis de montrer une excellente robustesse expliquée par un phénomène de pincement du canal réduisant le courant de court-circuit. Le mécanisme de défaillance serait alors thermique et temporel et produit un courant de fuite de grille important.
La commutation douce a été également étudiée, en particulier la conduction en inverse qui a lieu lors des temps morts. Des dérives électriques du composant ont pu être constatées mais à cet instant aucun mécanisme de dégradation particulier et net n’a pu être constaté.
Les résultats obtenus ont permis de mettre en lumière de nouveaux mécanismes de dégradation et des propriétés propres à la technologie permettant de faire avancer la compréhension de la fiabilité des HEMT GaN de puissance. L’approche choisie et les différents stress étudiés ont permis de confirmer que le vieillissement du composant dépendait des conditions d’usage. Ce dernier résultat montre que les moyens actuels de qualification et de test avant sa mise en service dans les systèmes doivent être adaptés. |
In the context of the energy transition, the GaN HEMT large-gap transistor is helping to push back the limits of silicon components, particularly in compact, high-performance embedded power supplies.
However, the main obstacle to the use of this technology is the lack of knowledge about its reliability under functional electrical stress, and its durability under conditions of intensive repetitive operation.
It seems essential to establish and understand the physical degradation mechanisms specific to GaN HEMT. The aim of this Thales CIFRE thesis with the Laplace and LAAS-CNRS laboratories is to link functional stress to an electrical signature of degradation obtained by electrical characterization measurements, and to the physical nature of the defect obtained by failure analysis. This would enable retro-analysis to identify the most likely root causes of the degradation observed on a component during feedback from Thales applications or their customers.
This thesis proposes to apply amplified and targeted functional electrical stresses to explore moderate to extreme overload regimes. Specific benches have been designed to study independently each stress specific to each type of power conversion application.
Thus, the study carried out addresses the effect of voltage stress parameters encountered in a DC-DC and DC-AC conversion application, in particular the effect of DC bus voltage (2/3 or 120% of rating) and switching energy.
The results show that failure mechanisms are strongly linked to the type of stress applied and the component reference. Dynamic stress at low voltage may lead to gate failures. The effect of field plates is cancelled out by electrical stress, which increases the electric field on the grid until it reaches its breakdown limit.
Voltage stress at 120% of the ratings leads to the appearance of crystalline defects in the GaN layer, increasing the vertical leakage current under the drain. Voltage overload stress can, in some cases, lead to the same type of defect, but more localized in the structure, or to a metallic defect caused by melting of the field plate, not encountered with switching stress.
The effect of (very) hard switching, parameterized by setting the dead time between control commands to allow a cross-conduction phenomenon (a high current under a high transient voltage), accelerates the degradation process linked to the electric field without causing any particular degradation.
Short-circuit stress showed excellent robustness, explained by a channel pinch-off phenomenon reducing the short-circuit current. The failure mechanism would then be thermal and temporal, producing a high grid leakage current.
Soft switching was also studied, in particular reverse conduction during dead times. Electrical drift of the component was observed, but at this point no clear-cut degradation mechanism could be identified.
The results obtained shed light on new degradation mechanisms and properties specific to the technology, enabling us to advance our understanding of the reliability of GaN power HEMTs. The chosen approach and the various stresses studied confirmed that component ageing depends on the conditions of use. This latest result shows that current means of qualification and testing prior to commissioning in systems need to be adapted. |