Les dégradations dans les composants électroniques

x ) x = 0, = 2 = 0, = 1 = 1, = 3 = 1, = 0,25

Figure 1.17  Représentation de la loi log normale pour diérents paramètres σ et µ.

la non prise en compte de certains paramètres spéciques à la technologie HEMT GaN. Des études expérimentales sont donc nécessaires an de caractériser ces phénomènes et actualiser ces référentiels de abilité. Des projets (notamment impulsé par la DGA, suite à la rédaction de FIDES) sont en cours pour compléter ces guides, an d'incorporer les technologies GaN dans les systèmes militaires et spatiaux de manière sure (durée de vie supérieure à 20 ans, sous des conditions opérationnelles rudes).

1.4.2.3 Les dégradations dans les composants électroniques

Au cours des tests de abilité des composants de puissance RF, un ensemble de paramètres électriques susceptibles d'évoluer est suivi [65]. Ces indicateurs traduisent les performances du composant et permettent d'évaluer son vieillissement. Par exemple, les paramètres statiques du transistor (gure1.19) mesurés en IV-pulsé :

 RDSon(Ω): Résistance drain-source lorsque le canal est ouvert, dénie par l'inverse de la pente des caractéristiques Ids(Vds) pulsé dans la zone ohmique.

 Idss (A) : Courant de saturation à canal ouvert, Vgs = 0V.

 Vcoude (V) : Tension de coude du transistor, liaison entre la zone ohmique et la zone saturée.

 gm (S) : Transconductance du transistor. Dénit le "gain" de la source de courant du transistor selon la tension de grille.

 Vp (V) : Tension de pincement du transistor. Si V gs < V p, le courant de drain sera nul quel que soit Vds.

0 1 2 3 4 5 6 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 f ( x ) x = 4, = 3 = 1, = 3 = 3, = 3 = 3, = 0,75

Figure 1.18  Loi de Weibull pour diérents paramètres β et η.

Les courants de fuite sont aussi des paramètres à vérier en cours de vieillissement. Dans le cas d'un transistor MOSFET par exemple, une possible dégradation de la couche d'oxyde peut se voir lorsque le courant de grille augmente (fuite de courant à travers un défaut). De plus, les caractéristiques dynamiques du composant peuvent être modiées indépendamment des indicateurs statiques. Les capacités parasites grille-source (CGS), drain-source (CDS) et grille-drain (CGD) ne peuvent être mesurées qu'en analyse fréquentielle.

Ces dégradations sur les paramètres statiques et dynamiques, comme nous le verrons par la suite dans le cadre spécique de la technologie GaN, peuvent être réversibles au cours du temps. Elles sont généralement causées par les phénomènes de piégeage de charges.

Les causes principales de dégradation dans les composants électroniques sont multiples : Elles peuvent venir des eets de la température, du courant et du champ électrique. Leurs conséquences sont de plusieurs ordres telles que par exemple :

 Des interdiusions de matériaux  Des phénomènes d'électromigration

 Le piégeage de charge par eets de porteurs chauds.

La dissipation des calories dans un composant de puissance est généralement délicate. Le rendement de l'amplicateur n'étant pas de 100%, une partie de l'énergie électrique sera dissipée sous forme de chaleur dans la zone active du composant. Cette chaleur est ensuite majoritairement évacuée vers le bas de la puce, d'où l'importance du substrat sur les perfor-mances thermiques du composant.

-2,5 -2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 0 1 2 3 4 I D S ( A ) V GS (V) V DS = 3V (zone saturée) V P g m 0 1 2 3 4 5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 Canal fermé V GS <V P I D S ( A ) V DS (V) 1/R DSon I DSS Canal ouvert (V GS =0V) V Coude

Figure 1.19  Exemples de paramètres statiques d'un transistor : réseaux pulsé entrée-sortie et réseau IV pulsé.

Les eets de la température dans les composants ont diérentes conséquences : diusions de matériaux (interfaces Schottky, contacts ohmiques), changements de phase (brasures) et modication des propriétés mécaniques. Ces dégradations vont bien évidemment avoir un impact sur les performances du composant. Par exemple, l'interdiusion de matériaux à la jonction Schottky peut entrainer une diérence de tension de pincement qui se ressentira sur le courant de drain et sur la puissance de sortie de l'amplicateur [66]. Les eets thermiques sont la cause de dégradation la plus observée sur les transistors de puissance RF (les densités de puissance étant élevées).

Ces évolutions dues à la thermique se modélisent généralement bien par la loi d'Arrhénius :

τ = A.e−Ea

kT (1.12)

Où τ est la constante de temps de la réaction, k est la constante de Boltzmann, T est la température en Kelvin, Ea est l'énergie d'activation (un phénomène physique précis donne une énergie d'activation bien dénie) en électron-volt et A un facteur d'ajustement. Cette loi est très utilisée pour modéliser la vitesse des réactions physico-chimiques. L'analogie est faite ici entre la vitesse de réaction et le MTTF (ou TTF si le nombre de composants en test est trop faible) si celui-ci ne dépend que de la température (en première approximation). En eet, l'énergie d'activation ne dépend pas de la température lorsque celle-ci n'est pas extrême. Il est alors possible d'écrire la relation suivante :

M T T F = A′_.e−Ea

kT (1.13)

Les fondeurs de composants sont les premiers à évaluer cette durée de vie liée à la ther-mique, ce genre de test étant relativement aisé à mettre en place. Pour cela, le composant est chaué à une température TC donnée (on se rapporte donc à la température de jonction TJ

classe de fonctionnement (dans le cas d'un composant RF) et soumis soit à des impulsions radiofréquences, soit à une excitation CW (continuous wave ou onde continue). La baisse graduelle de la puissance de sortie (ou tout autre paramètre critique du composant) est ex-trapolée jusqu'à la limite de dégradation xée par le cahier des charges (par exemple 10%), ce qui donnera un TTF pour chaque composant. La moyenne de ces données sur un échan-tillon assez grand permet d'obtenir le MTTF à une température. En faisant ce test à trois températures minimum an d'obtenir une précision susante sur l'énergie d'activation de la(des) dégradation(s) (gure1.20), il est possible d'évaluer la durée de vie du composant à une température quelconque, dans la limite (parfois oue) où elle n'est pas extrême : certains phénomènes de dégradations sont activés à forte température et viendraient biaiser l'étude.

La correction pour passer de la durée de vie à une température de vieillissement T2 à une autre T1 se fait comme suit :

Pour le test à la température T1 :

M T T F (T1) = A.e−Ea

kT1 (1.14)

Pour le test de vieillissement à la température T2 :

M T T F (T2) = A.e−Ea

kT2 (1.15)

On peut donc écrire le facteur d'accélération :

AF = ^{M T T F (T2)} M T T F (T₁) ^{= e} −Ea k .( 1 T2−1 T1 ) (1.16) Et donc : M T T F (T₂) = A_F.M T T F (T₁) (1.17) Ces calculs de MTTF et de facteurs d'accélération peuvent dépendre d'autres paramètres. Le phénomène d'électromigration (induit par les fortes densités de courants [68]) est modéli-sable par la loi empirique de Black [69] :

M T T F ∝ τ = AJ⁻ⁿ.e−Ea

kT (1.18)

Avec J la densité de courant A et n des facteurs d'ajustement (A dépend de la surface du semiconducteur), T la température de jonction et k la constante de Boltzmann. Cette relation ressemblant beaucoup à la loi d'Arrhénius, il est aussi possible d'écrire le facteur d'accélération dépendant de la densité de courant dans le semi-conducteur, comme suit :

A_F = ( J₁ J2 )n .e−Ea k .( 1 T 2− 1 T 1) (1.19)

Figure 1.20  Diagramme d'Arrhénius pour un composant HFET GaN sur silicium corres-pondant à une dégradation d'origine thermique [67]. Une énergie d'activation de 1.7 eV est extraite.

De la même façon que précédemment, la durée de vie du composant soumis à de fortes densités de courant peut être modélisée avec précision. Les eets délétères de l'électromigra-tion peuvent être expliqués par les mouvement d'atomes provoqués par les fortes températures et les fortes densités de courant. Le transfert de quantité de mouvement s'eectue entre les nombreux porteurs de charge et les atomes de la structure. Lorsque le mouvement des atomes n'est pas uniforme, des lacunes de matériau peuvent apparaitre et induire une ouverture du circuit. A contrario, des agrégats de matière peuvent s'accumuler pouvant créer des courts-circuits entre les pistes adjacentes (gure1.21).

Les tensions de polarisation des composants de puissance étant de plus en plus élevées et en ajoutant les excursions dues au signal RF, le champ électrique peut devenir très important en certains points du composant.

La dernière cause principale de dégradation dans ces composants concerne donc le champ électrique et particulièrement l'un de ses eets : Les porteurs chauds. A l'équilibre thermo-dynamique, les électrons peuvent circuler dans la bande de conduction (EC) avec une énergie

E ≈ EC + kT. Lorsque le semi-conducteur est soumis à un champ électrique, la force cou-lombienne va s'appliquer aux porteurs de charge en les accélérant. L'énergie cinétique de ces porteurs va grandement augmenter. Une analogie avec la température est possible : leur énergie pourra s'écrire E ≈ EC + kTe, la température Te correspondant aux eets conjoints de la température du matériau et l'accélération du champ électrique (température eective). A de forts niveau d'énergie cinétique, ces électrons dits chauds vont pouvoir endommager la structure cristalline du semi-conducteur en ionisation par impacts ou par eet d'avalanche. Dans un HEMT GaN, le phénomène est principalement présent au niveau du pied de grille côté drain, endroit où le champ électrique est le plus intense (1.22).

Figure 1.22  Distribution du potentiel dans une FET en GaN sans plaque de champ [71].

De plus, ces électrons peuvent se retrouver piégés dans certains régions du transistor à cause de leur accélération trop importante (comme le substrat ou la couche d'AlGaN par exemple). Ces électrons piégés vont créer des charges d'espace modiant les performances du composant (variation de Vp et donc de IDSS, baisse de gm).

Dans le cas d'injection de porteurs chauds (HCI pour Hot Carrier Injection), le MTTF peut être estimé à partir du modèle de Takeda [72] :

M T T F ∝ τ ∝ e( 1

VD (1.20)

Où VD correspond à la tension de drain appliquée au composant en fonctionnement. L'injection de porteurs chauds est un problème de abilité de plus en plus gênant suite à l'augmentation des tensions applicables dans les composants (notamment dans le GaN, suite à son champ de claquage élevé). Cet eet est fonction des champs électriques internes au composant. Il est donc par voie de conséquence aecté par la longueur du canal et la tension grille-drain atteinte. L'une des voies d'amélioration de cet eet est l'ajout d'une plaque de champ (ou eld plate) relié à la source, comme nous le verrons dans la prochaine section.