Physical-experimental methods and analysis of dynamic On-state resistance mechanisms in GaN Power HEMT devices
Méthodes et analyses physico-expérimentales des mécanismes liés à la résistance dynamique dans les composants HEMT GaN de puissance
Résumé
To control the flow of electrical energy from source to load, power electronics is one of the key elements for the management of this energy. Managing and converting electrical energy requires efficient power converters, based on switches exhibiting high switching and conduction performance, at high power and high frequency. Although silicon-based devices have dominated power electronics for long time, the physical properties of this material limit the performance of these devices in terms of maximum operating temperature, breakdown voltage, dynamic On-state resistance and switching speed. The search for promising materials exhibiting superior performance compared to silicon is therefore contemplated. Gallium nitride (GaN) is one of the materials that, thanks to its physical properties, meet the manufacturing requirements of power converters. Furthermore, the AlGaN/GaN heterostructure high electronic mobility transistor (HEMT) is one a power device that contributes to the innovation in power conversion technologies. However, many reliability issues affect the electrical performance of these devices and require efforts of analysis and understanding. The contributions of this work fit precisely in this topic. The characterization of the dynamic On-state resistance of GaN HEMT transistors, which is a critical problem, is necessary to understand the dynamics of certain phenomena such as trapping. In this work, we focus on characterizing the effects of trapping induced by defects that may exist in the different layers of the structure. We propose a new general measurement methodology allowing reliable and reproducible results and showing the importance of mastering the initial conditions before each measurement. These dynamic phenomena are characterized using current measurements as a function of time, realized on TLM structures coming from different technological batches, under electrical and/or optical stimulations. Two characterization methods of these defects are proposed. The purpose of the first method is to stress the device by a negative voltage applied to the substrate to stimulate the defects located between the 2DEG channel and the substrate, while the second one consists in illuminating the device under test with a light source whose corresponding photon energy is chosen to affect only the traps present in the materials. The effect of the illumination on the contact resistances is then studied, showing a non-negligible contribution of these resistances in the total resistance and thus highlighting, for the first time, that the degradation of the dynamic on-state resistance may be due not only to phenomena in the 2DEG channel but also to phenomena at the ohmic contacts.[...]
Pour contrôler le flux d'énergie électrique de la source à la charge, l'électronique de puissance constitue un des éléments phares dans l'acheminement de cette énergie. La gestion et la conversion de cette énergie électrique nécessitent des convertisseurs de puissance efficaces, basés sur des interrupteurs présentant des performances élevées en commutation et en conduction, à haute puissance et haute fréquence. Bien que les dispositifs à base de silicium dominent depuis longtemps l'électronique de puissance, les propriétés physiques de ce matériau limitent les performances des dispositifs en termes de température maximale d'opération, de tension de claquage, de résistance à l'état passant et de vitesse de commutation. La recherche des matériaux prometteurs présentant des performances supérieures à celles du silicium est donc nécessaire. Le nitrure de gallium (GaN) est l'un des matériaux qui permet, grâce à ses propriétés physiques, de répondre aux exigences de fabrication des convertisseurs de puissance. En outre, le transistor à haute mobilité électronique (HEMT) à hétérostructure AlGaN/GaN est un composant qui contribue à l'innovation des technologies de conversion de puissance. Cependant, de nombreux problèmes de fiabilité affectent les performances électriques de ces dispositifs et nécessitent un effort d'analyse et de compréhension. Les contributions du présent travail s'inscrivent précisément dans ce domaine. La caractérisation de la résistance à l'état passant de ce transistor, qui est un problème critique, est nécessaire pour comprendre la dynamique de certains phénomènes tels que le piégeage. Dans ce travail, on s'intéresse tout particulièrement à la caractérisation des effets du piégeage induit par des défauts qui peuvent exister dans les différentes couches de la structure. Nous proposons une nouvelle méthodologie générale de mesure permettant d'obtenir des résultats fiables et reproductibles et montrant l'importance de maîtriser les conditions initiales avant chaque mesure. Les phénomènes dynamiques sont caractérisés à l'aide des mesures du courant en fonction du temps, réalisées sur des structures TLM issues de différents lots technologiques, sous stimulations électrique et/ou optique. Deux méthodes de caractérisation de ces défauts sont ainsi proposées. Le but de la première est de stresser le dispositif par une tension négative appliquée sur le substrat pour stimuler les défauts présents entre ce dernier et le canal 2DEG, alors que la deuxième consiste à illuminer le dispositif sous test par une source lumineuse dont l'énergie de photon correspondante est choisie de façon à ce qu'elle n'affecte que les pièges présents dans les matériaux. L'effet de l'illumination sur les résistances de contact est ensuite étudié, montrant une contribution non négligeable de ces résistances dans la résistance totale et mettant ainsi en évidence, pour la première fois, que la dynamique de la résistance à l'état passant peut-être due non seulement à des phénomènes dans le canal 2DEG mais également à des phénomènes au niveau des contacts ohmiques[...]
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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