Le Silicium est le matériau de prédilection pour la fabrication des transistors grâce à ses propriétés électriques et à son faible coût de production. La croissance fulgurante des dispositifs à base de Silicium s’est poursuivie tout au long des années 1970 et 1980 ; ces dispositifs sont devenus très répandus dans l’industrie des semi-conducteurs. Cependant, avec le développement et l’évolution des applications qui requièrent des niveaux de tensions très élevés et des températures ambiantes sévères, les transistors de puissance à base de Silicium ont atteint leurs limites, en particulier au niveau des densités de puissance qu’ils peuvent fournir. A cet effet, un recours à de nouveaux matériaux est devenu indispensable pour dépasser les limites du Silicium et accompagner les nouvelles tendances des applications en électronique de puissance. C’est dans cette optique, que depuis de nombreuses années, la recherche s’est orientée vers les matériaux à large bande interdite «Grands Gaps». Ces matériaux ont des propriétés physiques et électriques, que leur confère leur largeur de bande interdite, très intéressantes pour un grand nombre d’applications de fortes puissances et de très hautes températures.
Les matériaux à large bande interdite, que l’on trouve le plus dans le marché, sont le Carbure de Silicium (SiC) et le Nitrure de Gallium (GaN). Le diamant est un autre matériau à large bande interdite, mais en raison de son coût élevé, le Nitrure de Gallium (GaN) et le Carbure de Silicium (SiC) restent les mieux adaptés pour les semi-conducteurs. Ils présentent l’avantage, par rapport au Silicium, d’avoir une plus grande vitesse de saturation impliquant une possibilité de fonctionnement avec des grandes fréquences et une concentration intrinsèque très faible conduisant à de plus faibles courants de fuite à haute température. A titre d’exemple, pour une tension de 1 kV, la température du Silicium ne peut pas dépasser 200°C tandis que le Nitrure de Gallium peut supporter en température jusqu’à 1400°C. De même, le champ électrique critique fourni par le Carbure de Silicium est dix fois plus élevé que celui du Silicium.
Les composants AlGaN/GaN composés d’une hétérostructure permettent de construire les transistors à haute mobilité électronique (HEMTs). Cette structure permet de créer un puits de potentiel dans lequel est confinée une forte densité d’électrons appelée gaz 2D dans lequel les charges peuvent se déplacer avec une grande vitesse. Ces composants possèdent pratiquement le meilleur compromis puissancefréquence dans un large domaine d’utilisation. Ils possèdent une faible résistance donnant de faibles pertes de conduction et une vitesse de commutation très élevée engendrant moins de pertes de commutation…
Etat de l’art sur les modes de dégradation des dispositifs de puissance à base de GaN
Les véhicules électriques, les générateurs RF, les systèmes flexibles de transmission alternative et d’autres applications nécessitent des circuits et des sous-systèmes bien développés, robustes et à haut débit. Ces structures ont besoin des dispositifs d’alimentation ayant une tension au blocage et une fréquence de commutation élevées, ce qui n’est pas possible pour la technologie Silicium en raison de certaines limitations en termes de combinaison température/ fréquence/tenue en tension.
Pour surmonter ces limitations, la recherche s’est orientée vers les matériaux à large bande interdite (Grands Gaps) tels que le Carbure de Silicium (SiC), le Nitrure de Gallium (GaN) et le Diamant en raison de l’avantage que présentent leurs propriétés intrinsèques.
En effet, le Diamant offre une bande interdite exceptionnellement grande et des propriétés thermiques uniques, mais la recherche sur ce type de matériaux n’en est qu’à ses débuts. Le SiC possède une conductivité thermique élevée et une large bande interdite et le GaN offre pour sa part une bande interdite directe et une performance à haute fréquence ; ceci les rend donc pertinents pour la génération de dispositifs de commutation de puissance. A cet effet, la technologie des matériaux à large bande interdite (Wide Band Gap) (WBG) s’est concentrée sur le SiC et le GaN pour leurs caractéristiques prometteuses. Cependant, les transistors à base de GaN pour les applications de commutation sont encore récents et manquent d’une pleine maturité. En particulier, certains défauts de fabrication entrainent des instabilités dans les caractéristiques électriques.
Généralités sur les composants Grands Gaps
Les nouvelles technologies mises en œuvre pour réduire la consommation énergétique des systèmes électroniques se basent sur les matériaux Grands Gaps (semi-conducteurs à large bande interdite) tels que le Carbure de Silicium (SiC), le Nitrure de Gallium (GaN) et le Diamant. Les objectifs recherchés à travers ces technologies sont la réduction des dimensions et du poids des convertisseurs, l’augmentation de l’efficacité énergétique et la diminution des coûts. La technologie GaN (Nitrure de Gallium) fait partie des technologies « Grands Gaps » qui permet de repousser les limites des semi-conducteurs de puissance actuels. Dans cette section, des généralités sur les matériaux Grands Gaps sont présentées en mettant l’accent sur le positionnement du GaN par rapport aux Si, SiC et au Diamant.
Compromis entre la tenue en tension et la température
Les dispositifs de puissance traditionnels réalisés à partir du Silicium (Si) montrent certaines limitations dès lors que l’on souhaite combiner de fortes tenues en tension, des utilisations en températures au-dessus de 200°C et des fréquences de commutation élevées afin d’augmenter les densités de puissance. Pour franchir ces limitations, il est nécessaire de recourir à des matériaux à large bande interdite (Grands Gaps) qui présentent des propriétés plus adaptées. Ils permettent un fonctionnement potentiel du dispositif à des températures, des tensions et des vitesses de commutation supérieures aux dispositifs à base de Silicium (Si) utilisés actuellement. Le Carbure de Silicium (SiC), le Nitrure de Galium (GaN) et le Diamant sont les matériaux à large bande interdite les plus prometteurs.
Les avantages des matériaux à large bande interdite sont présentés dans le tableau I.1 : un champ critique plus élevé (permettant de plus hautes tenues en tension), une vitesse de saturation plus élevée (permettant d’augmenter les fréquences de commutation) et la mobilité électronique élevée (permettant de faibles résistances à l’état passant). Néanmoins, le SiC (4H-SiC) et le GaN présentent des propriétés assez similaires par rapport au matériau standard Silicium . Pour la plupart des propriétés, le GaN est légèrement supérieur au SiC. Cependant, la conductivité thermique du GaN est un point faible.
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Table des matières
Introduction générale
CHAPITRE I Etat de l’art sur les modes de dégradation des dispositifs de puissance à base de GaN
Introduction
I.1 Généralités sur les composants Grands Gaps
I.1.1 Compromis entre la tenue en tension et la température
I.1.2 Compromis entre la tenue en tension et la résistance RON-spécifique
I.1.3 Applications des composants Grands Gaps
I.2 Structures des composants GaN
I.2.1 Structure latérale
I.2.2 Structure verticale
I.3 Mécanismes de dégradation des composants GaN
I.3.1 Mécanismes de piégeage
I.3.1.1 Principe et modèle mathématique
I.3.1.2 Caractérisations des pièges
I.3.1.3 Conséquences des mécanismes de piégeage
I.3.2 Electrons chauds
I.4 Problème des fuites
I.5 Problème de la variation dynamique de Ron
I.6 Vieillissement
I.6.1 Vieillissement des composants GaN en Radiofréquence
I.6.2 Vieillissement par court-circuit
I.6.3 Cyclage actif : contrainte thermique
I.7 Estimation de la température de jonction Tj
I.7.1 Méthodes électriques (mesures indirectes)
I.7.2 Méthodes optiques (mesures directes)
Conclusion
CHAPITRE II Description et caractérisations des composants étudiés
Introduction
II.1 Composant GaNSystems
II.1.1 Description générale du transistor GS66508P
II.1.2 Caractéristique statiques de transfert IDS-VGS et tension de seuil du transistor GS66508P
II.1.3 Caractéristiques statiques de sortie IDS-VDS du transistor GS66508P
II.1.4 Courants de fuite du transistor GS66508P
II.1.5 Gate lag et Drain lag
II.2 Composant CEA Normally-On
II.2.1 Description générale du composant Normally-On
II.2.2 Caractéristique statique de transfert IDS-VGS et tension de seuil du transistor CEA Normally-On
II.2.3 Caractéristiques statiques IDS-VDS du transistor CEA Normally-On
II.2.4 Courants de fuite du transistor CEA Normally On
II.2.5 Gate lag et Drain lag
II.3 Composant CEA Normally-Off
Conclusion
CHAPITRE III Evolution de la résistance dynamique Ron_dyn des transistors de puissance GaN pendant les cycles de commutation
Introduction
III.1 Caractérisations en commutations cycliques
III.1.1 Principe du test
III.1.2 Moyens de test et méthodologie
III.1.3 Tests de commutations cycliques sur le composant GaNSystems
III.1.3.1 Séparation de l’effet dû à la thermique de celui dû au piégeage
a) Modèle thermique
b) Etalonnage
c) Différenciation entre l’effet dû à la thermique de celui dû au piégeage
III.1.3.2 Résultats expérimentaux sur les composants GaNSystems
a) Influence de la température
b) Influence de la fréquence de commutation
c) Influence de la tension Vdc au blocage
d) Cas destructifs
III.1.4 Tests de commutations cycliques sur les composants CEA
III.1.4.1 Principe et étude expérimentale
III.1.4.2 Résultats expérimentaux
a) Tests « statiques » et « normaux »
b) Effet de la température
c) Effet du courant
d) Effet du dV/dt
III.2 Modélisation de l’évolution de la Ron_dyn
III.2.1 Modèle simplifié de Ron_dyn
III.2.2 Évolution des densités de centres « piégeurs » neutres
III.2.3 Estimation de la valeur initiale à l’équilibre
III.2.4 Estimation de la résistance Ron_dyn
Conclusion générale