Soutenance de thèse de Mohamed Lemine DEDEW

Composition du jury :

M. Dominique PLANSON, Professeur à l'INSA de Lyon, Rapporteur
M. Frédéric RICHARDEAU, directeur de recherche à l'Université de Toulouse, Rapporteur

Mme Anne-Sophie DESCAMPS, Maîtresse de conférences, à l'Université de Nantes, Examinatrice
M. Nadir IDIR, Professeur à l'Université de Lille, Examinateur

M. Andrea IRACE, Professor University of Naples Federico II, Examinateur

M. Hervé MOREL, Docteur à l'INSA de Lyon, Examinateur

M. David TREMOUILLES, Chargé de recherche à l'Université de Toulouse, Examinateur

 

Mots clés : Court-circuit, GaN HEMT, 650 V normalement bloqué, Robustesse, Mécanismes de défaillance, Simulations thermiques.

Résumé :

Dans le cadre du projet GANRET, piloté par l’IRT Saint Exupéry, cette thèse étudie la robustesse des transistors de puissance en nitrure de gallium (GaN) à haute mobilité électronique (HEMT) face aux événements de court-circuit (CC). Bien que ces composants offrent des performances remarquables, leurs mécanismes de défaillance en régime de CC demeurent insuffisamment compris, ce qui constitue un enjeu majeur pour leur intégration dans les convertisseurs électroniques de puissance avancés. Afin d’apporter de nouveaux éclairages, un banc de tests de CC a été développé. Celui-ci permet de réaliser des tests destructifs de CC, à événements uniques ou répétitifs, à différents niveaux de tension drain-source (VDS). Ce banc a été spécifiquement conçu pour l’évaluation de GaN HEMTs normalement bloqués, 650 V/30 A, commercialement disponibles et provenant du même fabricant. Une campagne de tests de CC destructifs à évènements uniques sur des composants (DUTs) issus de différents lots et soumis à 300 V, 400 V et 500 V a montré une forte dépendance du temps de tenue en CC SCWT) à la tension appliquée. Les DUTs ont montré une excellente robustesse en CC à 300 V avec des SCWTs de plusieurs centaines de microsecondes, des SCWTs très dispersés selon les lots allant de quelques centaines de nanosecondes à plusieurs centaines de microsecondes à 400 V, et une défaillance quasi instantanée à 500 V (SCWTs ≤ 500 ns). Aucune corrélation n’a été observée entre les SCWTs et les caractéristiques électriques des DUTs caractérisés avant les stress de CC. L’absence d’une énergie critique unique exclut l’hypothèse d’une défaillance pilotée par l’énergie dissipée durant le stress de CC. Une relation inverse a été observée entre le pic de courant de CC (ID-sat-max) et le SCWT : plus ce pic est élevé, plus la défaillance survient rapidement. Il a également été constaté que la puissance moyenne dissipée lors du CC suit une loi en racine carrée du SCWT, quel que soit le niveau de VDS, ce qui suggère une origine thermique de la défaillance. Des simulations thermiques simplifiées, basées sur la méthode des éléments finis (FEM) ont montré que la défaillance apparaît dans des plages de températures de jonction similaires, bien que les résultats de ces simulations doivent être interprétés comme indicatifs. Les tests de CC répétitifs à 400 V avec des impulsions très courtes (≤ 500 ns) ont montré que les DUTs ayant les plus fortes valeurs d’ID-sat-max ont résisté au plus petit nombre de cycles de CC. Les caractérisations électriques avant et après les stress de CC répétitifs n’ont mis en évidence aucun indicateur de vieillissement mesurable, ce qui suggère que les dommages se produisent probablement en dehors de la zone active du DUT. Les simulations thermiques ont montré que la défaillance survient toujours à des températures de jonction similaires, bien que l’interaction entre la dégradation thermique et électrique demeure incertaine. Dans l’ensemble, cette thèse participe à une meilleure compréhension de la tenue aux courts-circuits des GaN HEMTs, de l’origine physique de la défaillance et offre plusieurs pistes d’études pour de futures investigations. Elle ouvre notamment la voie à des études approfondies sur les mécanismes différenciant le CC destructif à événement unique du CC répétitif, sur l’amélioration des modèles électrothermiques, ainsi que sur l’analyse post-défaillance visant à identifier les zones endommagées et à mieux comprendre les mécanismes de défaillance.

 

Keywords : Delamination, Damage indicator, Electrical detection, 3D Packaging, Metal-Metal joint, Wide bandgap semi-conductors.

Abstract : 

As part of the GANRET project led by the IRT Saint Exupery, this thesis investigates the short-circuit (SC) robustness of gallium nitride (GaN) high electron mobility transistors (HEMTs). Although these devices offer outstanding performances, their failure mechanisms under SC conditions remain insufficiently understood, which represents a major challenge for their integration into advanced power electronics converters. To provide new insights, a SC test bench was developed. It enables both single-event destructive SCs and repetitive SCs, at various drain-source voltage (VDS) levels. The bench was specifically designed to evaluate commercially available normally-off GaN HEMTs, 650 V/30 A, all sourced from the same manufacturer. A large-scale single-event destructive SC campaign on devices under test (DUTs) from different batches at 300 V, 400 V, and 500 V revealed a strong dependence of SC withstanding time (SCWT) on the applied voltage. The DUTs exhibited strong SC robustness at 300 V with SCWTs of several hundred microseconds, showed highly batch-dependent SCWT dispersion ranging from a few hundred nanoseconds to several hundred microseconds at 400 V, and failed almost immediately at 500 V (SCWTs ≤ 500 ns). No correlation was observed between SCWT and DUT static parameters characterized before the SC stress. No unique critical SC energy was identified, ruling out energy-driven failure mechanisms. An inverse relationship was observed between the SC current peak (ID-sat-max) and the SCWT: the higher the peak, the faster the failure occurs. It was also observed that the average power dissipated during the SC stress follows a square-root law with respect to SCWT, regardless of VDS, suggesting a thermal origin of the failure. Simplified thermal simulations based on the finite element method (FEM) showed that the DUTs fail within similar junction temperature ranges, although these simulation results should be interpreted as indicative. Repetitive SC testing at 400 V with very short pulses (≤ 500 ns) revealed that DUTs with the highest ID-sat-max survived the fewest SC cycles. Pre- and post-SC electrical characterization did not reveal reliable aging indicators, suggesting that damage likely occurs outside the DUT's active region. Thermal simulations again indicated failure at relatively similar junction temperatures, but the interplay between thermal and electrical degradation remains unclear. Overall, this thesis contributes to a better understanding of the short-circuit resistance of GaN HEMTs, the physical origin of the failure, and offers several ossibilities for future investigations. It opens the way for further studies on the mechanisms istinguishing single-event destructive SC failures from repetitive SC events, on the improvement of electrothermal models, as well as on post-failure analysis to identify damaged areas and gain deeper insight into the underlying failure mechanisms.

URL salle virtuelle :
https://ens-paris-saclay-fr.zoom.us/j/93856813502?pwd=tZ1gASRNXVZ3FucacNEa9G7sedsCye.1