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Analyse de défaillance dans les transistors HEMTs RF à base de nitrure de gallium

Description du sujet de thèse :

Grâce à leurs propriétés exceptionnelles (gap élevé, tension d’avalanche élevée, une forte conductivité), les transistors à haute mobilité électronique (HEMT) à base de de nitrure de gallium (GaN) sont des candidats prometteurs pour les applications à hautes fréquences, hautes températures et hautes puissances. Malgré leurs performances, la présence des effets de piégeage et de courant de fuite peut limiter la stabilité et la fiabilité de ces dispositifs. Les pièges sont aujourd’hui l’un des phénomènes parasites les plus importants de la technologie HEMTs GaN.  Les recherches effectuées sur cette technologie sont focalisées sur l’amélioration de la fiabilité de ces composants en réduisant ces effets de pièges. Les électrons capturés induisent la réduction de la densité de porteurs dans le canal 2DEG qui maintient la neutralité de la charge globale dans la structure. La conséquence directe est une baisse du courant de drain et une variation de la tension de coude. De plus, ce phénomène a un impact sur les performances RF du dispositif avec généralement une saturation de la puissance de sortie et une diminution du rendement (PAE). Ces défauts étant en général déjà présents à l’état initial, on ne peut donc pas à proprement parler de dégradation. Toutefois, leur état évolue souvent pendant le vieillissement, ce qui pose un problème du point de vue de la fiabilité. Par conséquence, la compréhension et le contrôle de ces effets est indispensable pour évaluer la fiabilité des HEMTs GaN dédiés à des applications de hautes fréquences et hautes températures.

Afin de répondre à la demande croissante en bande passante et en vitesse de transmission de données pour les applications futures, la fabrication de nouveaux HEMT GaN fiables offrant des performances accrues dans la gamme des ondes millimétriques est nécessaire. Les problèmes de fiabilité et plus particulièrement ceux des pièges doivent être résolus en concevant de nouvelles structures de dispositifs, en modifiant la physique des dispositifs et en optimisant le processus de fabrication.

L’objectif de cette thèse sera de se pencher sur les problèmes inhérents à cette nouvelle technologie de composants par l’emploi couplé de méthodes de caractérisations électriques et structurales afin de relier les informations obtenues à l’échelle atomique aux données macroscopiques.

Le laboratoire, possède une plateforme instrumentale très riche. Elle permet la réalisation des études complètes de fiabilité et d’analyse de défaillance des composants électronique qui vont de la caractérisation électrique fine jusqu’à la caractérisation microstructurale à l’échelle atomique. L’idée c’est de commencer par les caractérisations électriques et les mesures de pièges avec la technique A-DCTS développée au laboratoire. Puis, de corréler les résultats avec la sonde atomique tomographique (SAT) afin de mieux comprendre les nouveaux mécanismes de défaillance des nouvelles technologies de GaN HEMT et d’identifier les origines des pièges.

Cette thèse sera menée en collaboration avec les partenaires du projet HUGE financé par le labex GaNeXT (IEMN (Lille), IMS-bordeaux, LAAS (Toulouse), UMS). La thèse va porter sur des dispositifs RF GaN qui sont en phase de développement (fourni par le projet HUGE (High freqUency GaN Electronics)). Les composants GaN qui seront adressés dans cette thèse couvrent un large spectre de fréquences (De 1GHz à 90 GHz), pouvant adresser une très large gamme d'applications civiles ou militaires (ex : amplificateurs radar, communication par satellite, systèmes de télécommunication modernes comme la 5G). À travers la collaboration avec le projet HUGE, la thèse vise à étudier la fiabilité et le phénomène des pièges de plusieurs empilements de type HEMT sur substrat SiC afin de dégager l’impact de différentes variantes, sur les caractéristiques des composants comme la nature, l’épaisseur des couches, leur dopage. Des composants à grille ultra-courte (70 nm à 100 nm) permettant un fonctionnement jusqu’en bande W seront étudiés. 

 

Profil du candidat

Le (la) candidat(e) doit avoir une formation dans le domaine de l’électronique, avec des connaissances sur les transistors de puissance RF. Des connaissances dans le domaine des matériaux (semiconducteurs, physique du solide) ainsi que dans le domaine de la microscopie seront appréciées. Le candidat devra avoir démontré ses qualités d’expérimentateur.

 

Contacts : Olivier Latry, 02 32 95 51 22. Niemat Moultif, 02 32 95 50 78 Les candidats intéressés devront envoyer une lettre de motivation et leur CV à : Olivier.Latry@univ-rouen.fr; niemat.moultif0@univ-rouen.fr;    sebastien.duguay@univ-rouen.fr