Electrically conductive or electro-active fibers are the key components of smart and interactive textiles, which could be used in medical, sports, energy, and military applications in the near future. The functionalization of high-performance textile yarns/fibers with conjugated polymers can produce conductive fibers with better electro-mechanical properties, which is difficult with commonly used spinning techniques. In this thesis work, textile-based conductive yarns/fibers were prepared by coating viscose and polyester (PET) yarns with the conjugated polymer PEDOT. For coating purposes, an efficient technique called chemical vapor deposition (CVD) was used, which is a solventless technique and can produce PEDOT polymer layers with high conductivity values. The polymerization of EDOT monomer vapors and coating of oxidant (FeCl3 or FepTS) enriched viscose and PET yarns took place simultaneously. The PEDOT-coated viscose and polyester yarns showed relatively high conductivity values, which could be sufficient for many electronic applications. The polymerization process and the quality of PEDOT polymer strongly depends on different reaction conditions. In this research work, the impact of most of these reaction parameters on the electrical, mechanical, and thermal properties of PEDOT-coated conductive yarns was considered separately. Under specific reaction conditions, it was found that viscose fibers were successfully coated with PEDOT polymer and showed rather high electrical conductivity (≥ 15 S/cm). However, due to the acid hydrolysis of viscose fibers in FeCl3 solutions, the mechanical properties were drastically reduced. In order to improve the mechanical properties of conductive yarns, a relatively stable and chemical-resistant substrate (PET) was coated with PEDOT polymer. Comparative studies between PEDOT-coated viscose and PET conductive yarns showed that the electrical and mechanical properties were enhanced by changing the substrate material. Later on, PEDOT-coated conductive fibers were treated with silicone elastomer solution and due to the thin silicone layers, the hydrophobic properties, flexibility, and durability of coated yarns was improved. Furthermore, a novel electrical resistance-measuring setup was developed, which can be used not only for fibers but also for fabric structures. The electrical characterization of PEDOT-coated conductive yarns showed that it can be used effectively for sensitive fibers without damaging their surface morphology. Finally, the use of conductive yarns as stretch sensors was evaluated. For this purpose, small rectangular knitted patches of conductive yarns were prepared and then the change in electrical resistance values at different extension percentages (5–50%) was investigated. The constant variations in electrical resistance values at different extension and relaxation cycles for longer periods of time revealed that the conductive yarns produced have the potential to be used as stretch sensors for monitoring of vital signs in medical and sports applications. / <p>Thesis for the Degree of Doctor of Philosophy to be presented on March 08, 2013, 10.00 in KA-salen, Kemigården 4, Chalmers University of Technology, Gothenburg</p>

Ce travail vise à étudier la robustesse de trois générations de MOSFET SiC de puissance (Silicon Carbide Metal Oxide Semiconductor Field E_ect Transistors). Plusieurs approches sont suivies : la caractérisation électrique, la modélisation physique, les tests de vieillissement et la simulation physique. Un modèle compact basé sur une nouvelle méthode d'extraction de paramètres et sur les résultats de caractérisation électrique est présenté. Les paramètres extraits du modèle (tensionde seuil, transconductance de la région de saturation et paramètre du champ électrique transverse) sont utilisés pour analyser avec précision le comportement statique de trois générations de MOSFET SiC. La robustesse de ces dispositifs sont étudiées par deux tests : le test HTRB (High Temperature Reverse Bias) et le test ESD (Electrostatic Discharge). Une simulation physique est réalisée pour comprendre l'impact de la température et des paramètres physiques sur les caractérisations électriques des MOSFETs SiC. / This work aims to investigate the robustness of three generations of power SiC MOSFETs (SiliconCarbide Metal Oxide Semiconductor Field E_ect Transistors). Several approaches are followed :electrical characterization, device modeling, ageing tests and physical simulation. An improvedcompact model based on an accurate parameters extraction method and one electrical characterization results is presented. The parameters extracted precisely from the model (thresholdvoltage, saturation region transconductance...) are used to accurately analyze the static behaviorof two generations of SiC MOSFETs. The robustness of these devices are investigated bytwo tests : HTRB (High Temperature Reverse Bias) stress and an ESD (Electrostatic Discharge)stress. Physical simulation is conducted to understand the impact of the temperature and thephysical parameters on the device electrical characterizations.

Les composés III-N, et le Nitrure de Gallium (GaN) en particulier, sont devenus des matériaux semi conducteurs importants pour l’ensemble de l’humanité. Depuis la fin des années 1990, ils ont permis le développement de composants électroluminescents fiables, diodes LED et diodes laser, qui constituent une solution de remplacement à rendement énergétique amélioré par rapport aux composants à incandescence. Il est possible qu’ils jouent aussi un rôle dans les nouvelles générations de composants pour l’électronique de puissance. Lors du développement des composants, des recherches expérimentales permettent de trouver assez rapidement des solutions pour réaliser les briques technologiques indispensables, mais le temps manque pour comprendre les mécanismes physiques mis en jeu. Nos travaux ont eu pour objectif d’approfondir la compréhension de l’influence de la structure physico-chimique sur les propriétés électriques des contacts ohmiques et Schottky sur GaN de type N. / Group III nitride semiconductor materials (III-N), and especially gallium nitride (GaN), are now key materials for the whole human kind. Since years 1990, reliable and energy-efficient light emitting devices have been developed based on III-N compounds providing higher efficiency replacement solutions to incandescent bulbs. The same III-N materials may also provide higher performance device solutions for power electronics, allowing multi-functional on-chip integration. During the industrial development of devices, experimental work is focused on finding rapidly good enough solutions for each technology brick, and on the eventual integration of the bricks into a complete device processing flow. Very often, little time and effort can be devoted to the understanding of the underlying physical and chemical processes. The aim of this work has been to study the influence of the physical and chemical material structures on the electrical properties of metal - GaN Ohmic and Schottky contacts.

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.

Ce travail de thèse s’inscrit dans la cadre d’un projet ANR inter-Carnot « ReMaPoDe (Reliability Management of Power Devices) ». L’objectif général du projet est de réaliser un dispositif permettant d’évaluer en temps réel l’état de vieillissement d’un assemblage de puissance embarqué par le suivi de son état thermique et mécanique pendant son fonctionnement. L’essentiel du travail présenté dans ce mémoire consiste à mettre en évidence la relation entre le vieillissement mécanique d’un assemblage de puissance et les dérives électriques qui peuvent être observées. En outre, compte tenu des problèmes thermiques liés aux applications embarquées, la caractéristique électrique choisie comme indicateur doit être rendue indépendante des effets de la température. Ainsi, après un état de l’art consacré à la présentation des différents types de vieillissement et aux défaillances rencontrées dans les assemblages de puissance, nous distinguerons différentes caractéristiques électriques qui semblent prometteuses pour effectuer le suivi en temps réel de l’état de vieillissement mécanique d’un assemblage de puissance et ce malgré des variations de température ambiante et le vieillissement de certains matériaux constituant l’assemblage / This work is part of an inter-Carnot ANR project "ReMaPoDe (Reliability Management of Power Devices)." The overall project objective is to provide a device to evaluate the real-time status of ageing of a power assembly by monitoring its thermal and mechanical states during operation. Most of the work presented in this thesis consists in highlighting the relationship between the assembly mechanical ageing and the observed electrical evolution. Moreover, due to the thermal problems related to embedded applications, the electrical characteristic chosen as an indicator must allowed to overcome the effects of temperature. Consequently, following a state of the art dedicated to the presentation of different types of ageing and failures encountered in power assemblies, we will distinguish different electrical characteristics that seem promising to monitor in real time the mechanical ageing state of a power device assembly in spite of ambient temperature variations and the ageing of some materials constituting the assembly

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.