Soutenance mémoire
Les systèmes électroniques fonctionnent dans divers environnements dont les caractéristiques peuvent être très variées. Ce peut être par exemple des environnements corrosifs, des environnements caractérisés par une très haute ou très basse température, des vibrations, ou encore des phénomènes radiatifs. Tous ces environnements peuvent conduire à des fonctionnements en régimes extrêmes qui peuvent détruire les composants à semiconducteurs et les systèmes associés. Notre étude s’est concentrée sur les environnements radiatifs. On distingue parmi ceux-ci les radiations artificielles produites par l’homme de celles naturelles. Les environnements radiatifs naturels sont constitués de particules diverses provenant du soleil ou d’origine extra galactiques. La nature de ces particules ainsi que les gammes d’énergies rencontrées dans l’espace sont très variées. Lorsque ces particules arrivent vers la Terre, elles rencontrent l’atmosphère qui agit comme un filtre puisqu’elle permet d’arrêter la plus grande partie des ces rayonnements. L’environnement radiatif atmosphérique est ainsi beaucoup moins agressif que l’environnement spatial mais il n’en reste pas moins potentiellement dangereux. Plus les particules pénètrent dans l’atmosphère, plus celles-ci sont freinées voire stoppées. Ainsi, au niveau du sol l’environnement radiatif naturel est inoffensif pour l’être humain. Il reste peu agressif pour les systèmes électroniques bien que des destructions d’IGBTs utilisés dans les systèmes ferroviaires aient déjà été observées et imputés aux radiations. Au regard du nombre important et en constante augmentation des systèmes électroniques utilisés et au vu de leurs intégrations toujours en progression, des normes radiations ont été très récemment mises en place pour le domaine de l’automobile afin de garantir la sécurité des équipements électroniques. Pour ces mêmes raisons et parce que l’environnement radiatif spatial est beaucoup plus sévère, il est capital de déterminer le degré de sensibilité des systèmes électroniques embarqués. De nombreuses études ont été réalisées depuis une trentaine d’années sur tous les différents types de composants à semiconducteurs afin d’en comprendre les effets, de pouvoir les prédire et de s’en prémunir.
Effet de l’environnement radiatif naturel sur les composants à semiconducteur MOSFET et IGBT de type planar
Les particules de l’environnement radiatif naturel peuvent interagir avec l’électronique embarquée et avoir des effets potentiellement dommageables et donc compromettant pour le succès de la mission. Les phénomènes associés aux ions lourds ont été découverts et pris en compte seulement au début des années 1980. L’impact des ions lourds n’avait jusqu’alors que peu d’effet sur l’électronique, les composants étant beaucoup moins intégrés qu’aujourd’hui. En 1996 des tests ont montré une sensibilité des systèmes et composants électroniques de puissance aux neutrons [OBER96]. La part croissante d’électronique embarquée dans les missions spatiales, l’allongement de ces missions et l’évolution des technologies font qu’aujourd’hui, la prise en compte de l’effet des ions lourds est d’une importance majeure dans le choix de certains composants pour la fiabilité d’un satellite. Il en va de même pour les systèmes avioniques qui sont principalement concernés par les effets des neutrons et en particulier dans le cadre du projet de l’avion plus électrique dans lequel des commandes électriques de puissance sont implémentées en complément des commandes hydrauliques. Ce chapitre présente dans un premier temps les différents types de radiations naturelles spatiales et atmosphériques auxquelles sont soumis les systèmes électroniques. Les outils expérimentaux permettant de reproduire les effets de ces radiations sur les composants à semiconducteurs sont ensuite décrits. Ceux sont principalement les accélérateurs de particules, les sources naturelles radioactives et les lasers. Les différents mécanismes d’interactions particule-matière d’une part et faisceau laser-matière d’autre part sont expliqués. Les effets électriques résultant de ces interactions peuvent conduire à une défaillance des composants. Les différents types de défaillances sont identifiés et brièvement présentés. Celles faisant l’objet de cette étude sont le Single-Event Burnout et le Single-Event Latchup. Ces évènements peuvent se produire dans les transistors de puissance de type MOSFET et IGBT. Après avoir rappelé le mode de fonctionnement de ces transistors, leur structure parasite et les mécanismes de défaillance associés sont expliqués. Enfin, nous terminons avec l’état de l’art sur l’étude de ces phénomènes dans les composants étudiés.
L’environnement radiatif naturel
Les environnements radiatifs spatial et atmosphérique auxquels sont soumis les systèmes électroniques et en particulier ceux affectés à la gestion de l’énergie structurés à partir de composants de puissance (MOSFET et IGBT) sont décrits dans ce paragraphe. Ces deux environnements radiatifs naturels se distinguent principalement par la nature des particules qui les composent.
L’environnent spatial
Il existe principalement quatre sources de rayonnement dans l’environnement spatial qui sont successivement les éruptions solaires, le vent solaire, le rayonnement cosmique, la magnétosphère et les ceintures de radiations. Les composants de puissance plongés dans cet environnement sont soumis à des particules d’origines et énergies diverses telles que des photons, des électrons, des protons et des ions couvrant une large gamme de numéros atomiques [BOUD-95].
Les éruptions solaires
Une éruption solaire est un évènement primordial dans l’activité du soleil. Elle se produit à la surface de la photosphère, couche de gaz qui constitue la surface visible du soleil, et projette un jet de matière ionisée qui se perd dans la couronne solaire à des centaines de milliers de kilomètres d’altitude avant de se diluer dans l’espace environnant (cf. Figure 1-5). En plus des particules et des rayons cosmiques, l’éruption solaire s’accompagne d’un intense rayonnement (UV, rayons X, etc.) qui perturbe les transmissions radioélectriques terrestres (orage magnétique) et provoque l’apparition d’aurores boréales. L’activité du soleil est cyclique et se compose d’années actives suivies d’années calmes. La période des cycles solaires récents a varié entre 9 et 13 ans. L’intensité de cette activité est caractérisée par le nombre de taches visibles observées sur la surface du soleil.
Il existe deux types d’éruptions solaires en fonction de la prédominance des particules émises.
– Les éruptions solaires dont l’émission principale est constituée de protons (particule d’hydrogène ionisée) d’énergie importante (jusqu’à quelques centaines de MeV) et dont la durée est de quelques heures à quelques jours. L’éruption solaire à protons de référence est celle d’Août 1972 représentée sur la Figure 1-1. Cet évènement a représenté à lui seul 84% de la fluence totale de protons de haute énergie reçue par l’un des huit satellites OSO durant la totalité du 20ème cycle solaire qui a duré 11 ans.
– Les éruptions solaires dont l’émission principale est constituée d’ions lourds de numéro atomique pouvant être supérieur à 44 et possédant des énergies comprises entre 1 à 10 MeV. La durée de telles éruptions est de quelques heures au plus. La référence en ce domaine est l’éruption à ions lourds de septembre 1977.
Le vent solaire
La couronne solaire est définie par un flot de matière ionisée et n’a pas de frontière précise puisque son expansion se fond dans le milieu interplanétaire. Cette extension correspond au vent solaire qui est donc un plasma peu dense résultant de l’évaporation de la couronne proche du soleil. Ce plasma est essentiellement constitué d’électrons, de protons et d’hélium, et sa densité est de l’ordre de 10¹² particules/cm3 au niveau du soleil et tombe à 10 particules/cm3 au niveau de l’orbite terrestre. Le vent solaire est observé depuis une trentaine d’années. Au niveau de l’orbite terrestre, sa vitesse moyenne est de l’ordre de 400 km.s-1 mais peut être considérablement augmentée par les éruptions solaires.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1 : Effet de l’environnement radiatif naturel sur les composants à semiconducteur MOSFET et IGBT de type planar
1.1 L’environnement radiatif naturel
1.1.1 L’environnent spatial
1.1.1.1 Les éruptions solaires
1.1.1.2 Le vent solaire
1.1.1.3 La magnétosphère
1.1.1.4 Le rayonnement cosmique
1.1.1.5 Les ceintures de radiations
1.1.1.6 Synthèse de l’environnement radiatif spatial
1.1.2 L’environnent atmosphérique
1.2 Les outils expérimentaux permettant de simuler les effets de l’environnement naturel
1.2.1 Les accélérateurs
1.2.2 Source naturelle radioactive
1.2.3 Microfaisceau d’ions lourds
1.2.4 Les lasers
1.3 Les interactions particule-matière
1.3.1 Ions lourds
1.3.1.1 Nature de l’interaction
1.3.1.2 Parcours d’un ion lourd dans la matière : notion de range
1.3.1.3 Répartition spatiale et temporelle de la trace d’ionisation
1.3.2 Protons et neutrons
1.3.3 Notion de Pouvoir d’Arrêt et de Transfert d’Energie Linéique
1.3.4 L’interaction faisceau laser-silicium
1.3.4.1 Nature de l’interaction photon/silicium
1.3.4.2 Profondeur de pénétration du faisceau laser
1.3.4.3 Répartition spatiale et durée d’impulsion
1.4 Effets des radiations sur les composants électroniques
1.4.1 Les Evènements Singuliers (SEE)
1.4.2 Effets de dose
1.5 Les composants MOSFET et IGBT
1.5.1 Le MOSFET
1.5.1.1 Présentation générale
1.5.1.2 La structure et le fonctionnement parasite du MOSFET
1.5.2 L’IGBT
1.5.2.1 Présentation générales
1.5.2.2 Les structures et fonctionnements parasites de l’IGBT
1.6 Etat de l’art sur les phénomènes du Single Event Burnout et Single Event Latchup
1.6.1 Le SEB dans les MOSFETs
1.6.2 Le SEL et le SEB dans les IGBTs
1.7 Conclusion
Chapitre 2 : Développement d’une méthodologie de détermination de la sensibilité au SEB par test laser
2.1 Les limitations des accélérateurs pour les tests SEE
2.2 Intérêt du laser pour l’étude des SEE
2.3 Présentation de l’installation expérimentale
2.3.1 Le banc laser
2.3.2 Le circuit de test
2.3.3 Caractéristiques et préparation des composants pour les tests SEEs
2.4 Résultats expérimentaux et analyses
2.4.1 Définitions d’une cartographie laser, des sections efficaces et de la SOA
2.4.1.1 Cartographies laser
2.4.1.2 Section efficace
2.4.1.3 Aire de sécurité (SOA)
2.4.2 Résultats des cartographies laser
2.4.3 Comparaison des sections efficaces obtenues par laser et accélérateur
2.4.4 Comparaison des SOA obtenues par laser et accélérateur
2.4.5 Ebauche d’une équivalence entre le LET et l’énergie laser
2.4.6 Dégradation de l’oxyde de grille
2.4.7 Détermination de SOA par laser pour les IGBTs
2.5 Conclusion
Chapitre 3 : Recherche des critères de déclenchement du SEB dans les MOSFETs lors des interactions ions lourds et neutron-proton sur silicium. Méthodologie power DASIE pour l’environnement atmosphérique
3.1 Description des outils des simulations TCAD et du véhicule test de simulation
3.1.1 L’outil de simulations 2D TCAD
3.1.2 Véhicule test de simulation
3.2 Recherche du volume sensible
3.2.1 Recherche du volume sensible par simulations
3.2.2 Recherche expérimentale du volume sensible en accélérateur
3.2.3 Recherche du volume sensible à l’aide du laser
3.3 Recherche des critères de déclenchement du SEB à l’aide des simulations
3.3.1 Traces ionisantes verticales générées à différentes profondeurs au sein de l’épitaxie
3.3.2 Traces ionisantes horizontales générées au sein de l’épitaxie
3.4 Adaptation du code MC DASIE aux MOSFETs de puissance
3.4.1 Présentation des bases de données nucléaires
3.4.2 Présentation des codes de prédiction MC-DASIE pour les SRAM
3.4.3 Analyse des bases de données nucléaires pour les MOSFETs de puissance
3.4.4 Simulations de l’effet de deux particules couplées sur le déclenchement d’un SEB
3.4.4.1 Mise en conduction du transistor bipolaire parasite: étude de la particule 1
3.4.4.2 Accélération du phénomène d’avalanche: étude de la particule 2
3.4.4.3 Le code de Power DASIE
3.5 Conclusion
Conclusion générale et perspectives
Bibliographie
