Characterization, modeling and aging behavior of GaN power transistors

Caractérisation, Modélisation et Comportement au vieillissement de transistors GaN Les besoins de villes durables, la réduction de l'effet de serre et la recherche d'un substitut aux énergies fossiles sont autant de raisons qui poussent la recherche et l'industrie à trouver d'autres alternatives. Une de ces solutions est une utilisation plus large de l'énergie électrique. Au fil des années, ce vecteur d'énergie a été largement répandu en utilisant l'électronique de puissance dans des applications dans de nombreux domaines tels que l'automobile, l'aéronautique, ferroviaire, militaire…etc. Les systèmes électroniques de puissance sont composés en partie de composants actifs de puissance tels que des diodes et des transistors. Les applications nécessitant des profils de missions sévères en termes de températures ambiantes, de variations de températures de fortes amplitudes ou de fortes tensions requièrent des composants avec des caractéristiques spécifiques. Pour certaines des applications pour lesquelles les contraintes sont élevées, les composants doivent être à base de matériaux grands gaps comme le carbure de silicium (SiC) ou le nitrure de galium (GaN), le silicium quant à lui présentant certaines limitations. Les atouts et avantages liés à un composant ne sont malgré tout pas suffisants pour sa diffusion dans les applications. Les problèmes de fiabilité sont important et représentent une phase inévitable avant de valider son utilisation. Bien que les composants GaN aient montré de nombreux avantages, la question de leur fiabilité reste posée pour leur utilisation dans des applications. De nombreuses recherches sont en cours pour répondre à cette question. Les travaux menés dans cette thèse participent à cette réponse. L'objectif principal de cette thèse est d'étudier certains éléments de la fiabilité des transistors GaN à haute mobilité électronique (HEMT) pour les applications de puissance. L'étude de la fiabilité des dispositifs à semi-conducteurs nécessite des approches théoriques et expérimentales. Les composants doivent être conformes aux environnements sévères (correspondant à des applications réelles), et doivent également fonctionner de manière cohérente pendant de longues périodes. Parmi ces domaines, côté théorique, on peut citer la physique des semi-conducteurs, la modélisation mathématique et les simulations numériques multi physiques. En revanche, côté expérimental, cela débute par des caractérisations électriques, thermiques et physiques ainsi que des tests expérimentaux de vieillissement. Enfin, il est à noter l'importance de l'analyse des défaillances dans ce processus. Ces champs fournissent les éléments nécessaires pour étudier les modes de dégradation des dispositifs de puissance et réaliser une étude de fiabilité. Dans l'état actuel de la technologie, les transistors GaN souffrent encore d'un phénomène physique réversible appelé "piégeage", ce phénomène représente une source d'instabilité des caractéristiques physiques et électriques du dispositif. Il est un des éléments de fiabilité qu'il reste à résoudre pour les transistors HEMTs à base de GaN dans le domaine de la puissance. La pleine compréhension des effets de ces mécanismes et de leurs évolutions avec le vieillissement n'est pas encore complètement accomplie. Dans cette thèse, nous présentons des travaux théoriques et expérimentaux pour mieux comprendre la fiabilité liée à ce phénomène et l'interaction possible avec le vieillissement dans des conditions de cyclage de puissance.