Étude du phénomène de piège dans les transistors HEMTs RF GaN : Caractérisation électrique et simulation physique

Les transistors à haute mobilité électronique (HEMT) à base de Nitrure de Gallium (GaN) ont été développés pour répondre à des besoins croissants en termes de puissance, de hautes fréquences, de tenue en température, de résistance aux radiations ionisantes et d’efficacité énergétique. Ces transistors possèdent de larges champs d’applications de natures très diversifiées et répondent à des besoins d’ordre civile et militaire. Il s’agit du marché des télécommunications, du marché spatial (communications RF, applications satellites) et du marché de la défense (RADAR). Cependant de nombreuses interrogations concernant les limites de performance de ces dispositifs subsistent. 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. Pour les applications radars, la technologie HEMT GaN est critique dans les amplificateurs de puissance côté émission car l’impact des effets mémoires liés aux états de pièges dégradent la précision de détection des cibles dans un environnement contraint. 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, par conséquent, la compréhension et le contrôle de ces effets est indispensable pour évaluer la fiabilité des HEMTs GaN. Les composants GaN qui seront adressés dans cette thèse couvrent un large spectre de fréquences (De 1GHz à 90 GHz), ils sont fournis par le fondeur européen UMS et le laboratoire IEMN de l’Université de Lille. Cette thèse sera adossée au projet ANR 2025 « FIGHT » déposée par Mme Niemat Moultif.
L'objectif de cette thèse est d'étudier les phénomènes de pièges dans les dernières générations de transistors à haute mobilité électronique (HEMT) à base de nitrure de gallium (GaN).
Différentes méthodes de caractérisation du comportement des pièges dans les HEMTs GaN existent, telles que la spectroscopie transitoire des niveaux profonds (DLTS: Deep Level Transient Spectroscopy : capacité, courant pour respectivement C-DLTS et I-DLTS), A-DCTS (Athermal Direct Current Transient Spectroscopy), DLOS (Deep Level Optical Spectroscopy), les mesures transitoires Gate-Lag (GL) et Drain-Lag (DL), l’étude de la dispersion en fréquence de la transconductance, les mesures des paramètres S ou la mesure du bruit basse fréquence. Les gammes temporelles et thermiques explorées par ces techniques sont parfois différentes et soulignent la complémentarité de ces techniques.
L’équipe a développé la technique A-DCTS. Un banc de mesures est opérationnel et devra être adapté aux différentes technologies de composant d’étude (en boitier ou sur wafer) afin de caractériser les pièges. Couplé à des mesures statiques I-V en régime pulsé, le candidat devra analyser et rechercher les phénomènes de pièges en surface ou aux interfaces (Drain lag et Gate lag). Il devra ensuite mettre en relation les phénomènes physiques observés à l’intérieur du transistor au regard de la bibliographie.

Pour vérifier les hypothèses et identifier avec précision l'origine, la localisation et les effets des pièges dans les HEMTs en GaN, la thèse se focalisera sur la simulation physique avec le logiciel (TCAD/Silvaco). La simulation TCAD est un outil efficace pour examiner et interpréter la performance en termes de fiabilité des HEMTs en GaN et les choix de conception. Les simulations TCAD avec et sans pièges seront comparées aux mesures expérimentales pulsées. La relation entre le piégeage, les fuites de grille et la densité 2DEG sera étudiée. Cette étude contribuera au développement de modèles compacts précis et fiables pour la conception de circuits de puissance micro-ondes basés sur les HEMTs en GaN. Pour atteindre cet objectif les mesures par paramètres S devront être développée. Ensuite, l’étude pourra poursuivie afin d’évaluer non seulement la fiabilité et les performances du composant mais aussi celles du système, en simulant l’impact de ces défauts sur le fonctionnement d’une chaine d’émission/réception Radar.
 

            Le Groupe de Physique des Matériaux - UMR CNRS 6634 - (GPM, environ 90 permanents) est une Unité Mixte de Recherche (UMR) entre le CNRS, l’Université de Rouen Normandie et l’INSA de Rouen. Ses recherches, orientées nanosciences, concernent les transformations de phases diffusives, la micro-électronique, les propriétés magnétiques, la mécanique des matériaux et l'instrumentation scientifique avec le développement notamment de la Sonde Atomique Tomographique, instrument phare du GPM pour l’analyse en 3D des matériaux à l’échelle atomique.

La thèse se déroulera dans le département « Matériaux fonctionnels et nanostructures » qui travaille sur la thématique « Microélectronique : du matériau à la défaillance ». Les activités de recherche menées au laboratoire qui concernent l’analyse de défaillance et la fiabilité sont récentes. Elles s’appuient le plus souvent sur des collaborations industrielles dans le cadre du pôle de compétitivité Mov’eo ou l’Institut Carnot ESP. Ces recherches sont le plus souvent appliquées à l’automobile ou à l’aérospatiale à travers l’étude de la fiabilité et la défaillance de composants électroniques.

Le (la) candidat(e) doit avoir une formation solide 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 la simulation physique seront appréciées.