Analysis and modeling of gate degradation mechanisms for AlGaN/GaN high electron mobility transistors (HEMT)

L'introduction récente des technologies à grande bande interdite vient révolutionner le segment des modules de puissance RF. De par les niveaux de puissance élevés proposés aux fréquences des bandes de télécommunications, les technologies GaN représentent désormais une alternative intégrée majeure qui vient se substituer progressivement aux technologies III-V GaAs (amplificateurs SSPA), en concurrençant même les technologies des tubes à ondes progressives (amplificateurs TWTA). Ce développement rapide des technologies GaN durant la dernière décennie s'est avéré par la mise sur le marché de nombreuses filières, telles que GH50 et GH25, issues d'UMS. Ces filières s'appuient sur des variantes technologiques qui peuvent se traduire par une maîtrise délicate des divers mécanismes de dégradation induits par les contraintes thermiques, électriques ou RF : tests IDQ, HTRB, HTOL, etc. La complexité des processus mis en jeu (effets thermiques, piézoélectriques, ...) rend souvent délicate l'analyse des mécanismes qui induisent les dégradations observées, et il est nécessaire d'établir une étude rigoureuse multi-physique, afin d'identifier les paramètres électriques et technologiques sensibles. Les analyses associées à ces travaux s'appuient sur des mesures non-invasives, croisées dans les domaines temporel et spectral. Cette approche purement métrologique connait des limites dans la mesure où le croisement de données non-destructives et destructives ne peuvent pas être appliquées sur les mêmes composants, ni avant/après application de la contrainte. L'objectif de cette thèse est ainsi de pouvoir faire converger ces technologies industrielles et en phase de transfert vers des procédés plus robustes et plus performants, en améliorant notre connaissance des cinétiques de dégradation nombreuses et encore mal maîtrisées. Les technologies identifiées pour venir en support technologique sont les filières qualifiées ou en phase de l'être coté UMS : GH50 et GH25. Sur chacune des technologies, nous pourrons identifier les mécanismes limitatifs tant à l'instant t0, que lors de l'évolution sous contrainte. Dans une vision de maturation technologique, nous pourrons identifier les zones sensibles qui limitent les zones de sécurité opérationnelle des dispositifs, et qui permettent aux technologues d'améliorer les procédés technologiques. De plus, cette double entrée technologique permettra d'éprouver les méthodes de travail que nous avons mis en œuvre lors de cette thèse. Les techniques de mesure temporelles (non-invasives), telles que les mesures I-V-T DC et pulsées, seront analysées et corrélées avec les mesures de bruit basse fréquence (analyse fréquentielle), sur des composants témoins (vierges). Les mesures électriques permettent d'identifier les phénomènes de gate lag et de drain lag, qui sont des facteurs limitatifs pour les applications de puissance et applications pulsées radar. Le bruit basse fréquence est quant à lui reconnu pour permettre une analyse des défauts dans les différentes zones, actives ou pas, des composants étudiés. L'analyse et la localisation de ces sources de bruit est indispensable pour l'étape suivante. Ces techniques de mesures et modèles associés seront ensuite mis à profit pour étudier des composants stressés (vieillis). D'une part, l'évolution des caractéristiques électriques de linéarité autorisera l'appréhension des conséquences du stress sur le comportement opérationnel des dispositifs. De l'autre part, l'évolution des spectres de bruit donnera l'accès à une vision plus corpusculaire de ce qui entame l'abaissement des performances des transistors. Cette évolution constituera une base de données fiable, qui servira à mieux cerner les changements immédiats et lents des processus de dégradation réversibles et irréversibles des composants sous test : modification de la diode Schottky, présence de pièges accepteurs, charges mobiles et fixes, phénomènes de pièges lents et rapides.The recent introduction of wide bandgap materials revolutionizes the RF field of power modules. Due to the high-power levels for telecommunication frequency bands, GaN technologies represent nowadays a major integrated alternative which is believed to gradually replace III-V GaAs technologies (SSPA amplifiers), and even to compete with wave tubes technologies (TWTA amplifiers). Development of GaN material in the last decade is proved by the market release of several GaN versions, such as GH50 and GH25 from UMS. These batches are issued from technological versions that feature delicate mastering of the various degradation mechanisms induced by thermal, electrical or RF stress: IDQ tests, HTRB, HTOL, etc. The complexity of the involved processes (thermal, piezoelectric, ...) often makes difficult the analysis of mechanisms that caused the identified damage, and it is necessary to establish a rigorous multi-physics study in order to identify the sensitive electrical and technological parameters. The analysis associated with this work are based on cross non-invasive measurements, in transient and spectral domains. This purely metrological approach reaches its limits insofar as the crossing between non-destructive and destructive data cannot be applied to the same components, nor before/after application of a stress. Therefore, the objective of this thesis consists in giving some key indicators which can be useful when converging from these industrial and under development technologies to more robust and more efficient processes. In this way, we will be able to improve also our knowledge concerning the multitude and poorly controlled degradation kinetics. The identified technologies for technological support are the qualified or under development dies, issued from UMS: GH50 and GH25. On each of these versions, we can identify limiting mechanisms both at instant t0, and during evolution under stress. From technology maturation point of view, we can identify sensitive areas that limit operational security zones of the devices, and enable technologists to improve the technological processes. In addition, this dual input technology will allow us to implement the working methods that we have developed in this thesis. Transient techniques (non-invasive), such as I-V-T DC and pulsed measurements, will be analyzed and correlated with low frequency noise measurements (in frequency domain), on witness (virgin) components. By the means of electrical measurements, gate lag and lag drain phenomena can be identified, which are the main limiting factors for power applications and pulsed radar applications. Low frequency noise characterizations are recognized as reliable indicators for the analysis of defects in different areas (active or not) of the devices under test. The analysis and the location of these noise sources is fundamental for the next step. Then, these associated measurements and modeling techniques are used to study stressed (aged) components. On one hand, the evolution of electric linearity characteristics allows the comprehension of the stress consequences on the operational behavior of the device. On the other hand, the evolution of noise spectra allows the access to a corpuscular view of the defect that initiates the lowering of the transistor performances. These evolutions constitute a reliable database, which can be used in order to better understand the immediate and slow changes in reversible and irreversible degradation process of the devices under test: modification of the Schottky diode, presence of acceptors traps, mobile and fixed charges, slow and fast traps phenomena