Chapitre I. La technologie HEMT GaN
I.3. Phénomènes électrothermiques dans les HEMTs GaN
I.3.3. Dégradation des HEMTs
La fiabilité d'un composant est définie par son aptitude (sa probabilité) à accomplir sa fonction
dans des conditions et pendant une période de temps déterminées par le cahier des charges,
sans qu'il Q¶\DLWGHGpIDLOODQFH,OQHIDXWSDVODFRQIRQGUHDYHFODUREXVWHVVHG¶XQFRPSRVDQW
qui désigne sa capacité à fonctionner en dehors des conditions spécifiées par le constructeur
jQ¶LPSRUWHTXHOPRPHQWGHVDYLH/DGpIDLOODQFHG¶XQWUDQVLVWRUSHXWVHWUaduire soit par la
destruction du composant (court-circuit grille-drain par exemple), soit par la dégradation des
caractéristiques physiques entraînant une baisse des perforPDQFHVpOHFWULTXHVHQGHojG¶XQ
FULWqUHG¶DFFHSWDELOLWpFKXWHGH % par exemple). Dans le domaine de la défense, le cahier
des charges stipule une durée de vie souvent supérieure à 20 ans pour une température de
canal entre 175 °C et 225 °C [61]. De façon pratique les études de fiabilité reposent sur le
monitoring de plusieurs paramètres indicateurs de performance (statiques ou hyperfréquence)
G¶XQFHUWDLQQRPEUHGHWUDQVLVWRUVVRXVGLIIpUHQWVVFpQDULRVGHIRQFWLRQQHPHQW/DPRUWDOLWp
est alors extrapolée puis modélisée par des lois statistiques permettant ensuite de générer un
certain nombre de métriques, comme la durée de vie moyenne (MTTF pour mean time to
failure GpSHQGDQWH GHV FRQGLWLRQV HQYLURQQHPHQWDOHV 3RXU O¶pYDOXDWLRQ GH V\VWqPHV
complets, plusieurs méthodologies existent, comme celle proposée par le guide FIDES établi
par la DGA (Direction GénéraOHGHO¶$UPHPHQW [62].
/HWDX[GHGpIDLOODQFHG¶XQFRPSRVDQWLHOHQRPEUHGHGpIDLOODQFHSDUXQLWpGHWHPSVVXLW
une évolution temporelle dite en baignoire en 3 parties successives : ᬅ une première zone à
haut taux de défaillance dû à des défauts de jeunesse qui se manifestent rapidement (mortalité
infantile), ᬆ une zone à taux de défaillance constant (vie utile) et ᬇ une dernière zone à haut
taux de défaillance dû au vieillissement du composant (fin de vie). Des tests de courtes durées
permettent d¶pcarter les composants souffrant de mortalité infantile, souvent due à des erreurs
de conception (côtes sur/sous-GLPHQVLRQQpHV«RXGHIDEULFDWLRQOLWKRJUDSKLHPDOGpILQLH«
On prête en général une attention particulière à la zone de vieillissement du composant dans
laquelle les défaillances proviennent de sources de dégradation intrinsèques aux matériaux.
Différents mécanismes de dégradation peuvent alors être identifiés, pour la plupart
schématisés sur la Figure I.35. Nous allons maintenant brièvement présenter ces mécanismes
suivant les catégories suivantes : ᬅ les mécanismes activés thermiquement (en rouge sur la
figure), ᬆ les mécanismes activés électriquement (en vert), et ᬇ les mécanismes propres à
la technologie GaN (en bleu).
Figure I.35 ± Mécanismes de dégradation identifiés sur les HEMTs GaN. En rouge sont indiqués les
mécanismes activés thermiquement, en vert les mécanismes activés électriquement, et en bleu les
mécanismes propres à la technologie GaN. Adapté de [63].
I.3.3.2. Mécanismes de dégradation
I.3.3.2.1. Mécanismes activés thermiquement
/DWHPSpUDWXUHpOHYpHGXFRPSRVDQWHVWjO¶RULJLQHGHSKpQRPqQHVGHGpJUDGDWLRQ au niveau
des électrodes qui comportent des empilements de divers métaux susceptibles de changer de
phase de manière irréversible. Le gate sinking, qui correspond à la diffusion du métal de grille
dans le semiconducteur, est particulièrement délétère sur la qualité du contact Schottky car
des effets de pointes peuvent générer des courants de fuite de grille. Par ailleurs la couche de
passivation peut être sujette à une délamination (décollement) à cause des températures
pOHYpHVDWWHLQWHVjO¶LQWHUIDFH/¶LPSDFWGHODWKHUPLTXHVXUODGXUpHGHYLHdu composant est
JpQpUDOHPHQW ELHQ PRGpOLVp SDU OD ORL G¶$UUKHQLXV SUpVHQWpH DXSDUDYDQW : ܯܶܶܨ ן ߬ ൌ
ܣ ሺെܧȀ݇ܶሻ&HWWHORLHVWG¶DLOOHXUVXWLOLVpHHQILDELOLWpSRXUDFFpOpUHUOHYLHLOOLVVHPHQWGHV
composants en les soumettant à des températures élevées.
I.3.3.2.2. Mécanismes activés électriquement
/HFKDPSpOHFWULTXHQ¶HVWSDVXQLIRUPHOHORQJGHO¶D[HVRXUFH-drain. En particulier, le champ
est plus intense au pied de grille côté drain, comme nous pouvons le constater sur la Figure
I.36. Pour de fortes tensions de drain, les électrons de cette zone peuvent acquérir une énergie
très supérieure à leur énergie thermique ͵ ʹΤ ݇ܶ. Ces électrons dits « chauds » sont
responsables de plusieurs phénomènes de dégradation des composants. Ils peuveQWG¶DERUG
amener au claquage du matériau (cf. partie I.1.1.3), intervenant à une tension de drain dite de
claquage du composant ܸ ൌ ߝܮܧଶȀʹݍ݊ௌ [64]. Ils peuvent également être capturés par des
pièges très profonds, créant ainsi des zones de charges qui vont modifier durablement les
performances du composant (voir ci-après). Enfin, les électrons chauds peuvent générer des
pièges dans la structure. Pour toutes ces raisons, le fonctionnement du transistor est
généralement limité en tension de drain à une valeur ܸௌǡ௫ ൏ ܸȀʹ. La durée de vie du
composant peut être estimée en fonction de la tension de drain par le modèle de Takeda, qui
SUHQG HQ FRPSWH O¶LQMHFWLRQ GH SRUWHXUV FKDXGV : ܯܶܶܨ ן ߬ ן ݁Ȁܸௌ. Par ailleurs des
SKpQRPqQHVG¶pOHFWURPLJUDWLRQSHXYHQWVHPDQLIHVter pour de forts niveaux de courant, dont
les effets sont modélisables par la loi empirique de Black : ܯܶܶܨ ן ߬ ൌ ܣܬିሺെܧȀ݇ܶሻ.
2DEG G S D Canal GaN %DUULqUH Substrat Buffer et backbarrier Espaceur AlN 1XFOpDWLRQ Cap 'pJUDGDWLRQGX contact de grille 'pODPLQDWLRQGH la passivation 'pJUDGDWLRQGHV contacts ohmiques 3LpJHDJHGpOHFWURQV dans la passiv. *pQpUDWLRQGHSLqJHV SDUpOHFWURQVFKDXGV *pQpUDWLRQGHSLqJHV en bord de grille (IIHWVHOHFWURWKHUPRPpFDQLTXHV SLp]RpOHFWULTXHLQYHUVHGLODWDWLRQWKHUPLTXH
Figure I.36 ± Distribution du potentiel électriqXHGDQVODVHFWLRQG¶XQ+(07$O*D1*D1'H [65].
I.3.3.2.3. Mécanismes propres à la technologie GaN
6L OHV PpFDQLVPHV SUpVHQWpV MXVTX¶j PDLQWHQDQW RQW GpMj pWp REVHUYpV VXU G¶DXWUHV
FRPSRVDQWVHWG¶DXWUHVVHPLFRQGXFWHXUV6L*D$V,Q36L&«ODWechnologie HEMT GaN
introduit des mécanismes de dégradation spécifiques du fait des propriétés inédites des
nitrures. /HV FRPSRVDQWV +(07V *D1 SHXYHQW DLQVL rWUH VRXPLV j O¶HIIHW SLp]RpOHFWULTXH
inverse O¶DSSOLFDWLRQG¶XQFKDPSLQWHQVHVXUWRXWHQVRUWLHGHJULOOHFRPPHQRXVO¶DYRQVYX
induit une surcontrainte mécanique sur le matériau, faisant apparaître des défauts cristallins
(et donc des pièges) ou des crevasses à plus grande échelle.Notons également que le grand
gap des nitrures est responsable de O¶LPSDFW LPSRUWDQW GHV HIIHWV GH SLqJHV GDQV OHV
composants à base de nitrures. En effet, ces matériaux sont susceptibles de présenter des
SLqJHVWUqVSURIRQGVDYHFGHVFRQVWDQWHVGHWHPSVG¶pPLVVLRQSRXYDQWDWWHindre plusieurs
jours. Dans ce contexte, et même si le mécanisme de piégeage est supposé réversible, les
pièges sont des sources de dégradation car les porteurs piégés pendant de très longues
périodes affectent durablement les performances du transistor. Nous pouvons citer en
exemple le phénomène de grille virtuelleRGHVFKDUJHVQpJDWLYHVSLpJpHVGDQVO¶HVSDFH
grille-drain déplètent le 2DEG et provoquent une réduction du courant de drain. Les pièges
SHXYHQWpJDOHPHQWDVVLVWHUG¶DXWUHSKpQRPqQHVSK\VLTXHV comme la conduction de surface
et la conduction par effet tunnel, qui peuvent tous deux conduire à des courants de fuite de
grille plus importants.
I.3.3.3. Solutions technologiques
I.3.3.3.1. /HPDQDJHPHQWWKHUPLTXHFRQWUHOHVGpJUDGDWLRQVG¶RULJLQHWKHUPLTXH
Diverses solutions existent pour drainer efficacement la chaleur des HEMTs générée lors de
OHXUIRQFWLRQQHPHQW/DSUHPLqUHHVWO¶XWLOLVDWLRQGHVXEVWUDWV6L&TXLFRPPHQRXVO¶DYRQVYX
disposent de la meilleure conductivité thermique. Le substrat peut de plus être aminci et être
reporté sur radiateur thermique en fin de process. Pour drainer les calories par le « haut », il
HVWSRVVLEOHG¶XWLOLVHUXQPRQWDJHIOLS-FKLSTXLFRQVLVWHjUHWRXUQHUOHFRPSRVDQWHWO¶DFFROHUj
XQ FRQGXFWHXU WKHUPLTXH FRPPH O¶$O1 RX HQFRUH Gpposer une couche de matériau
conducteur comme le BN en fin de process. Enfin les choix concernant le packaging final sont
cruciaux pour le management thermique.
Pas de 0,5 V HEMT sans FP
Point chaud
VDS = 15 V VGS = -3 V