Characterization of the failure mechanisms of power-GaN-HEMT transistors in switching regime
Caractérisation des mécanismes de défaillance des transistors de puissance en GaN en régime de commutation
Résumé
The work in this doctoral dissertation, co-funded by CNES and IRT Saint-Exupéry, targets gallium nitride power switches (power-GaN-HEMT). Gallium nitride (GaN) has come to be a very promising material for the fabrication of power transistors. Power-GaN-HEMT is the up-and-coming device for energy management in space applications. GaN tolerates higher operational tempera-tures than silicon, and it is an inherently radiation-hard semiconductor material. In addition, GaN-based transistors offer remarkable performances for power switching energy converters like low on-resistance and high power densities compared to silicon-based devices (MOSFET, IGBT). Furthermore, due to its higher switching frequency, smaller and lighter power converters can be con-ceived, in as much the value of passive devices can be reduced (inductors and ca-pacitors) when operating at higher frequencies.Nonetheless, extensive utilization of power-GaN-HEMT remains limited because of lack of knowledge in the aging and reliability. Conventional test pro-cedures used to test silicon devices do not cover the reliability requirements for GaN.In the framework of this thesis, we developed power-cycling test. With this power-cycling test, we can control all the parameters of the stress. Throughout the test, we track the evolution of electrical parameters that have been identified as degradation indicators. In addition, radiation tests have been done to verify the robustness of the components in the space environment in agreement with CNES criteria.
Le travail dans le cadre de cette thèse de doctorat cofinancé par le CNES et l’IRT Saint-Exupéry, cible les interrupteurs de puissance à base de nitrure de gallium (power-GaN-HEMT). Les composants en GaN présentent une résistance à l’état passant très faible et une commutation rapide, limitant ainsi les pertes de conduction et commutation. La haute fréquence commutation permet de concevoir des convertisseurs plus légers et moins encombrants. En plus, comme les autres matériaux semi-conducteurs à large bande interdite, le nitrure de gallium est censé à être robuste aux effets de la radiation, chose qui rend ces composants très intéressants pour l’industrie aérospatiale. Malgré toutes ces avantages, l’utilisation des composants en GaN reste limitée à cause de la méconnaissance de leur fiabilité avec le vieillissement. En effet, les tests conventionnels qu’on utilise pour étudier les composants classiques en silicium n’arrivent pas à couvrir toutes les exigences des HEMT en GaN, spécialement les effets de piégeage. Dans le cadre de cette thèse on a développé un banc de cyclage actif afin d’étudier la dérive des composants en GaN en commutation. Ce banc permet de contrôler tous les paramètres du stress auxquels vont être soumis les composants sous test. Au long du test, on suit l’évolution de certains paramètres qui ont été identifiés comme une signature électrique de la dégradation, tout en faisant un lien entre l’ori-gine physique, la dérive des performances et les mesures de caractérisation. En parallèle de cela, des tests sous radiation on était réalisés afin de vérifier la robustesse des composants dans l’environnement spatial d’accord avec les critères du CNES.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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