Contribution to reliability analysis of GaN HEMTs transistors; joint exploitation of the physical model TCAD and dynamic stresses HF for the analysis of the mechanisms of degradation
Contribution aux analyses de fiabilité des transistors HEMTs GaN ; exploitation conjointe du modèle physique TCAD et des stress dynamiques HF pour l'analyse des mécanismes de dégradation
Résumé
In the race for technological developments, a revolution has been induced by the appearance of Nitride technologies for two decades. These high-bandwidth technologies offer a unique combination of improved power performance, integration and energy balance for high-frequency applications (Ka-band L-band in industrial production). These technologies strongly mobilize the academic and industrial circles to propose improvements in particular on the aspects of reliability. The large efforts made by industrial and academic consortia have made it possible to better identify, understand and control certain major aspects limiting the reliability of components, and thus promote the qualification of certain sectors. However, the correlation and the detailed physical analysis of degradation mechanisms still raises many questions, and it is essential to strengthen these studies by a multi-tool analysis approach. We propose in this work of thesis a strategy of analysis according to two major aspects. The first concerns the implementation of a stress bench that allows monitoring of many static and dynamic electrical markers, without changing the connection conditions of the devices under test. The second is to implement a TCAD physical model most representative of the technology studied in order to calibrate the component at different periods of stress. The first chapter is devoted to the presentation of the main reliability tests of GaN HEMTs, and the electrical and / or structural defects identified in the literature; this includes so-called non-invasive techniques (ie, respecting the functional integrity of the component under test), and destructive techniques (ie, not allowing for the resumption of measured). The second chapter presents the high frequency and thermal stress bench developed for the purposes of this study; the addition of a vector network analyzer switching on the four test channels allows to have dynamic frequency data, in order to interpret the variations of the electrical model small-signal modules under test at different periods of stress. Aging results of 4,2 GHz HEMTs GaN components, performed at ambient temperature and for different compression points of the output power, are interpreted, leading to original observations on the identified degradation mechanism. The third chapter deals with TCAD physical simulation of HEMT GaN transistor; this model is calibrated on an industrial sector (on which we have many data), but can be adapted according to technological developments of other sectors. Our model has been developed in order to give a first-order account of the impact of fixed charges (depending on their location) on the instabilities of threshold voltages and carrier density in the channel, observed after HTOL constraints. This model makes it possible to distinguish effects specific to the channel from those induced by the grid control. In the last chapter, we use the GaN technology developed at the Université de Sherbrooke to design a prototype of a MMIC and hybrid 4.2GHz mono-stage amplifier.
Dans la course aux développements des technologies, une révolution a été induite par l’apparition des technologies Nitrures depuis deux décennies. Ces technologies à grande bande interdite proposent en effet une combinaison unique tendant à améliorer les performances en puissance, en intégration et en bilan énergétique pour des applications hautes fréquences (bande L à bande Ka en production industrielle). Ces technologies mobilisent fortement les milieux académiques et industriels afin de proposer des améliorations notamment sur les aspects de fiabilité. Les larges efforts consentis par des consortiums industriels et académiques ont permis de mieux identifier, comprendre et maîtriser certains aspects majeurs limitant la fiabilité des composants, et ainsi favoriser la qualification de certaines filières. Cependant, la corrélation et l’analyse physique fine des mécanismes de dégradation suscite encore de nombreux questionnements, et il est indispensable de renforcer ces études par une approche d’analyse multi-outils. Nous proposons dans ce travail de thèse une stratégie d’analyse selon deux aspects majeurs. Le premier concerne la mise en oeuvre d’un banc de stress qui autorise le suivi de nombreux marqueurs électriques statiques et dynamiques, sans modifier les conditions de connectiques des dispositifs sous test. Le second consiste à mettre en oeuvre un modèle physique TCAD le plus représentatif de la technologie étudiée afin de calibrer le composant à différentes périodes du stress. Le premier chapitre est consacré à la présentation des principaux tests de fiabilité des HEMTs GaN, et des défauts électriques et/ou structuraux recensés dans la littérature ; il y est ainsi fait état de techniques dites non-invasives (c.-à-d. respectant l’intégrité fonctionnelle du composant sous test), et de techniques destructives (c.-à-d. n’autorisant pas de reprise de mesure). Le second chapitre présente le banc de stress à haute fréquence et thermique développé pour les besoins de cette étude ; l’adjonction d’un analyseur de réseau vectoriel commutant sur les quatre voies de tests permet de disposer de données dynamiques fréquentielles, afin d’interpréter les variations du modèle électrique petit-signal des modules sous test à différentes périodes du stress. Des résultats de vieillissement de composants HEMTs GaN à 4,2GHz, réalisés à température ambiante et pour différents points de compression de la puissance de sortie, sont interprétés, conduisant à des observations originales quant au mécanisme de dégradation identifié. Le troisième chapitre porte sur la simulation physique TCAD de transistor HEMT GaN ; ce modèle est calibré sur une filière industrielle (sur laquelle nous disposons de nombreuses données), mais peut-être adapté selon les aménagements technologiques d’autres filières. Notre modèle a été aménagé afin de rendre compte au premier ordre de l’impact des charges fixes (selon leur localisation) sur les instabilités des tensions de seuil et de la densité de porteurs dans le canal, observées après contraintes HTOL. Ce modèle permet de distinguer des effets propres au canal de ceux induits par la commande de grille. Dans le dernier chapitre, nous exploitons la technologie GaN développée à l’Université de Sherbrooke pour concevoir un prototype d’amplificateur mono-étage MMIC et hybride à 4,2GHz.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)