A bord des véhicules électriques (VE) et Hybrides (VEH), les fonctions de tractions sont assurées par des convertisseurs électroniques de puissances. Ces derniers sont constitués de module de puissance (IGBTs ou MOSFETs). Au cours de leur fonctionnement, ces modules sont parfois soumis à de fortes contraintes électriques et thermiques qui amènent à une défaillance ou même à une destruction. Le premier objectif sera de réaliser un banc expérimentale permettant d’étudier le vieillissement des modules IGBTs en régîmes extrêmes de fonctionnement (mode de court-circuit). Ainsi, nous évaluerons les différents indicateurs de vieillissements permettant de prédire la défaillance du composant. Il sera question aussi de suivre le vieillissement ou une dégradation initié sur les composants IGBTs par thermographie infrarouge. Le second objectif sera de modéliser et simuler par éléments finis différentes structures d’IGBTs, afin de valider les modèles en fonctionnement statique et dynamique. L’avantage de l’approche multicellulaire par rapport à l’approche unicellulaire sera mis en avant. / On board electric vehicles (EVs) and hybrid (HEV), the functions of traction is provided by power electronic converters. These consist of power modules (IGBT or MOSFET). During their operation, these modules are sometimes subjected to high electrical and thermal stresses that lead to failure or even destruction.The first objective will be to achieve experimental bench to study ageing IGBT modules under extreme operating conditions ( short circuit mode). Thus, we evaluate the various indicators of ageing to predict component failure. Topics will also follow the ageing or degradation initiated on IGBT components by infrared thermography. The second objective is to model and simulate by finite element different IGBT structures to validate the models in static and dynamic operation. The advantage of multicellular approach to the single cell approach will be highlighted.

Depuis ces dernières années, parmi tous les composants de puissance, l’IGBT (Transistor Bipolaire à Grille Isolée) occupe une place prépondérante, On le retrouve dans une multitude d’applications et il est devenu un composant de référence de l’électronique de puissance. Dans cette thèse, nous nous intéresserons au fonctionnement de l’IGBT en conditions thermiques et électriques extrêmes. À l'aide de la simulation physique bidimensionnelle d'un modèle d'IGBT de type Punch Through à structure de grille en tranchée, on s'intéressera plus particulièrement aux limites des aires de sécurité, et plus précisément aux mécanismes qui peuvent amener à la défaillance du composant. Une étude expérimentale présentera le comportement de différentes structures d’IGBT dans différents modes de fonctionnement, on traitera plus particulièrement l’influence de la température et de la résistance de grille sur ces modes de fonctionnement. Enfin, une proposition d’amélioration d’IGBT sera développée en simulation mettant en œuvre une couche tampon SiGe. / For these last years, the IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) has occupied a dominating place comparing to other power components. Used in a multitude of applications, it became the component of reference in power electronics domain. In this thesis, I will be interested in operation of the IGBT in extreme thermal and electrical conditions. Using the simulation of a bi-dimensional physical model of a Punch Through Trench IGBT, I will be interested more particularly in the limits of the SOA (Safe Operating Area), and more precisely in the mechanisms which can lead to the failure of the component. An experimental study will present the behaviour of various structures of IGBT in various electrical and thermal operating conditions, more particularly the influence of the temperature and the gate resistance. Lastly, a proposal for an improvement of IGBT will be developed in simulation by implementing a layer SiGe in the N+ buffer layer of the IGBT.

Les HEMT AlGaN/GaN sont en passe de devenir incontournables dans le monde de l'amplification de puissance radiofréquence, grâce à leurs performances exceptionnelles. Cependant,en raison de la relative jeunesse de cette technologie, des études de fiabilité dans plusieurs modes de fonctionnement sont toujours nécessaires pour comprendre les mécanismes de défaillance propres à ces composants et responsables de leur vieillissement. Cette étude porte sur l'analyse des défaillances dans les transistors HEMT AlGaN/GaN de puissance,en régime de fonctionnement de type RADAR (pulsé et saturé). Elle s'appuie sur la conception d'amplificateurs de test, leur caractérisation et leur épreuve sur bancs de vieillissement. La mise en place d'une méthodologie visant à discriminer les mécanismes de dégradation prépondérants, conjointement à une analyse micro-structurale des composants vieillis, permet d'établir le lien entre l'évolution des performances électriques et l'origine physique de ces défauts. / AlGaN/GaN HEMTs are on the way to lead the radiofrequency power amplificationfield according to their outstanding performances. However, due to the relative youth of this technology, reliability studies in several types of operating conditions are still necessaryto understand failure mechanisms peculiar to these devices and responsible for their wearingout. This study deals with the failure analysis of power AlGaN/GaN HEMTs in RADARoperating mode (pulsed and saturated). This is based on the design of test amplifiers, theircharacterization and their stress on ageing benches. The setting up of a methodology aimingat discriminating predominant degradation modes, jointly with a micro-structural analysisof aged devices, permits to link the evolution of electrical performances with the physicalroots of these defects.

Cette thèse s’inscrit dans le domaine de la localisation de défauts de type «soft» dans les Circuits Intégrés (CI) analogiques et mixtes à l’aide des techniques dynamiques de stimulation laser en faible perturbation. Les résultats obtenus à l’aide de ces techniques sont très complexes à analyser dans le cas des CI analogiques et mixtes. Ce travail porte ainsi particulièrement sur le développement d’une méthodologie facilitant l’analyse des cartographies laser. Cette méthodologie est basée sur la comparaison de résultats de simulations électriques de l’interaction faisceau laser-CI avec des résultats expérimentaux (cartographies laser). L’influence des phénomènes thermique et photoélectrique sur les CI (niveau transistor) a été modélisée et simulée. La méthodologie a été validée tout d’abord sur des structures de tests simples avant d’être utilisée sur des CI complexes que l’on trouve dans le commerce. / This thesis deals with Soft failure localization in the analog and mixed mode Integrated Circuits (ICs) by means of Dynamic Laser Stimulation techniques (DLS). The results obtained using these techniques are very complex to analyze in the case of analog and mixed ICs. In this work we develop a methodology which facilitates the analysis of the laser mapping. This methodology consists on combining the experimental results (laser mapping) with the electrical simulations of laser stimulation impact on the device. The influence of photoelectric and thermal phenomena on the IC (transistor level) has been modeled and simulated. The methodology has been validated primarily on test structures before being used on complex Freescale ICs existing in commerce.

La microscopie à émission de photons spectrale (SPEM) est une technique non destructive utilisée comme outil de localisation des défauts et comme indicateur des mécanismes de défaillance. Cette thèse présente un nouveau système de SPEM développé pour étudier la fiabilité des dispositifs de puissance à large bande interdite, notamment les MOSFET SiC et les MEMTs AlGaN/GaN. Un aperçu des différents aspects fondamentaux de l'émission de lumière dans les dispositifs à semi-conducteurs est présenté. L'analyse spectrale en électroluminescence des MOSFET SiC à haute puissance et des HEMTs AlGaN/GaN est rapportée et corrélée avec des analyses électriques et micro-structurales pour localiser les défaillances et identifier l'origine physique de la dérive des performances de ces composants. / Spectroscopic photon emission microscopy (SPEM) is a non-destructive technique used as a defect localizing tool and as an indicator of the failure mechanisms. This thesis presents a new system of SPEM developed to study the reliability of wide band Gap power devices notably SiC MOSFETs and AlGaN/GaN HEMTs. An overview of different fundamental aspects of the light emission defects on semiconductors devices is presented. The electroluminescence spectral analysis of high power stressed SiC MOSFETs and AlGaN/GaN HEMTs is reported and correlated with electrical and micro-structural analysis to localize the failures and identify the physical origin of the performance drift of these components.

La thèse intitulée "Conception, caractérisation et optimisation d’un transistor à effet de champ haute tension en Carbure de Silicium (SiC) et de leur diode associée", s’est déroulée au sein du laboratoire AMPERE sous la direction du Prof. D. PLANSON. Des premiers démonstrateurs de JFET ont été réalisés. Le blocage du JFET n'est pas efficace, ceci étant lié aux difficultés de réalisation technologique. Le premier travail a consisté en leur caractérisation précise puis en leur simulation, en tenant compte des erreurs de processus de fabrication. Ensuite, un nouveau masque a été dessiné en tenant en compte des problèmes technologiques identifiés. Les performances électriques de la nouvelle génération du composant ont ainsi démontré une amélioration importante au niveau de la tenue en tension. Dans le même temps, de nouveaux problèmes se sont révélés, qu’il sera nécessaire de résoudre dans le cadre de travaux futurs. Par ailleurs, les aspects de tenue en court-circuit des JFETs en SiC commercialement disponibles ont été étudiés finement. Les simulations électrothermiques par TCAD ont révélé les modes de défaillances. Ceci a permis d'établir finalement des modèles physiques valables pour les JFETs en SiC. / Silicon carbide (SiC) has higher critical electric field for breakdown and lower intrinsic carrier concentration than silicon, which are very attractive for high power and high temperature power electric applications. In this thesis, a new 3.3kV/20A SiC-4H JFET is designed and fabricated for motor drive (330kW). This breakdown voltage is beyond the state of art of the commercial unipolar SiC devices. The first characterization shows that the breakdown voltage is lower (2.5kV) than its theoretical value. Also the on-state resistance is more important than expected. By means of finite element simulation the origins of the failure are identified and then verified by optical analysis. Hence, a new layout is designed followed by a new generation of SiC-4H JFET is fabricated. Test results show the 3.3kV JFET is developed successfully. Meanwhile, the electro-thermal mechanism in the SiC JFETs under short circuit is studied by means of TCAD simulation. The commercial 1200V SIT (USCi) and LV-JFET (Infineon) are used as sample. A hotspot inside the structures is observed. And the impact the bulk thickness and the canal doping on the short circuit capability of the devices are shown. The physical models validated by this study will be used on our 3.3kV once it is packaged.