Thèse Année : 2025

Analysis of robustness of 650 V GaN HEMT under repetitive short-circuits

Analyse de la robustesse de HEMT GaN 650 V durant des courts-circuits répétitifs

Adrien Lambert
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1583084
  • IdRef : 284974307

Résumé

Since the 50's power electronics has been developed through silicon which became the largely dominant material for power semiconductors. Silicon has indeed proven a good reliability, is easy to purify and after decades of cost reduction, is very affordable. Nevertheless, after fifty years of improvement, physical limits of silicon are reached and don't match anymore with the new applications needs, like a higher operating frequency and a higher power. Wide-band gap (WBG) materials, such as diamond, gallium nitride (GaN), and silicon carbide (SiC), have emerged to address these challenges. GaN, especially in HEMT power devices, is particularly promising due to its high switching speed, excellent thermal conductivity, and potential for high-frequency operation. Despite their advantages, GaN components must demonstrate robustness and reliability, particularly against short-circuits, to be widely adopted in industries like automotive and avionic. The study of short-circuits began a few years ago, with initial work observed in 2013. However, it remains limited in several respects. The normally-off technology of p-GaN and cascode components has been studied almost exclusively. Current studies of enhanced mode (e-mode) components based on p-GaN components have revealed that the highest voltages could only be achieved at the cost of concessions (overheated environment, increased gate resistance). To the best of our knowledge, very few, if any, papers focus on normally-on technology depletion mode (d-mode). What is more, current studies are mainly concerned with the robustness of components to a single short-circuit and the time to failure. Rather than carrying out destructive short-circuits, which would make it much more difficult to analyse the component once it has been destroyed, it was decided to carry out repetitive, non-destructive short-circuits. Several series of successive short circuits are performed.These short-circuits are interspersed with electrical characterizations to identify parametric variations and gain a better understanding of degradation and failure mechanisms. The study of induced damage is therefore a key point and it will contribute to the design of more short-circuitsrobust chips. Two suppliers of 650 V GaN components have been selected, with normally-on and normally-off components. A short-circuit test bench specifically for GaN HEMT 650 V components has therefore been developed. It consists of three parts: a power/mother board, a device/daughter board and a driver board. A sarcophagus was developed using 3D printing. It holds the component by pressure on the device board and eliminates the need to solder the components, thereby reducing the thermal stresses on the device board in successive soldering/desoldering of components. However, the task proved more arduous than expected. Despite the particular care taken with the routing and the compactness of the electronic boards, with the aim of reducing the loop inductance, the initial tests were not at all conclusive and the experimental bench needed to be greatly optimised. A SPICE simulation has been developed to help understand the parasitic phenomena. Reducing common-mode currents was of prime importance, through the use of appropriate probes or ferrite cores. Several versions of the test bench have been developed, to achieve relevant results in terms of stability and in line with what should be required by future JEDEC standards for short-circuit testing. Different parametric and dynamic variations have been observed. In addition, components with the same structure but from different suppliers gave different results in terms of stability and robustness against short circuits. Explanatory hypotheses were formulated at the end of the thesis.

Depuis les années 1950, l'électronique de puissance s'est développée grâce au silicium, qui est devenu le matériau dominant pour les semi-conducteurs de puissance. Le silicium a en effet prouvé sa fiabilité, est facile à purifier et, après des décennies de réduction des coûts, est devenu très abordable. Cependant, après cinquante ans d'améliorations, les limites physiques du silicium ont été atteintes et ne répondent plus aux besoins des nouvelles applications, comme des fréquences de fonctionnement plus élevées et une puissance accrue. Les matériaux à large bande interdite (WBG), tels que le diamant, le nitrure de gallium (GaN) et le carbure de silicium (SiC), ont émergé pour relever ces défis. En dépit d'une grande vitesse de commutation et d'une conductivité thermique accrue, les composants GaN doivent démontrer leur robustesse et leur fiabilité, notamment face aux courts-circuits, pour être largement adoptés dans des secteurs tels que l'automobile et l'aéronautique. L'étude des courts-circuits a commencé il y a quelques années avec les premiers travaux observés en 2013. Cependant, les études restent limitées à plusieurs égards. La technologie normalement bloquée des composants p-GaN et cascode a été étudiée presque exclusivement et les tensions les plus élevées n'ont pu être atteintes qu'au prix de concessions (environnement surchauffé, augmentation de la résistance de grille). La littérature est inexistante pour la technologie normalement passante. De plus, les études actuelles se concentrent principalement sur la robustesse des composants face à un unique court-circuit destructif et sur le temps avant défaillance. Plutôt que de réaliser des courts-circuits destructifs, avec une analyse du composant d'autant plus difficile une fois celui-ci détruit, il a été décidé de réaliser des courts-circuits répétitifs et non destructifs. Ces courts-circuits sont entrecoupés de caractérisations électriques afin d'identifier les variations paramétriques et de mieux comprendre les mécanismes de dégradation et de défaillance. L'étude des dommages induits constitue donc un point clé et contribuera à la conception de puces plus robustes face aux courts-circuits. Deux fournisseurs de composants GaN de 650 V ont été sélectionnés, incluant des composants normalement passants et normalement bloqués. Un banc d'essai de courts-circuits spécifiquement conçu pour les composants GaN HEMT de 650 V a ainsi été développé. Il se compose de trois parties : une carte mère d'alimentation, une carte fille pour le composant, et une carte de commande. Un sarcophage a été conçu par impression 3D. Il maintient le composant par pression sur la carte fille et élimine la nécessité de souder les composants, réduisant ainsi les contraintes thermiques sur la carte lors des soudures et dessoudures successives.Cependant, la tâche s'est avérée plus ardue que prévu. Malgré les soins particuliers apportés au routage et à la compacité des cartes électroniques, dans le but de réduire l'inductance de boucle, les premiers tests n'étaient pas du tout concluants. Le banc expérimental a par conséquent dû être considérablement revu et optimisé. Une simulation SPICE a été développée pour aider à mieux comprendre les phénomènes parasites. La réduction des courants de mode commun a été d'une importance primordiale, grâce à l'utilisation de sondes appropriées ou de tores de ferrites. Plusieurs versions du banc d'essai ont été conçues afin obtenir des résultats pertinents en termes de stabilité et conformité en vue des futures normes JEDEC pour les tests de courts-circuits. Différentes variations paramétriques et dynamiques ont été observées. En outre, des composants de même structure et aux caractéristiques similaires, mais provenant de différents fournisseurs, ont donné des résultats sensiblement différents en termes de stabilité et de robustesse face aux courts-circuits. Des hypothèses explicatives ont été formulées à la fin de la thèse.

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tel-05262858 , version 1 (16-09-2025)

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  • HAL Id : tel-05262858 , version 1

Citer

Adrien Lambert. Analysis of robustness of 650 V GaN HEMT under repetitive short-circuits. Micro and nanotechnologies/Microelectronics. INSA de Lyon, 2025. English. ⟨NNT : 2025ISAL0010⟩. ⟨tel-05262858⟩
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