High electron mobility transistors (HEMTs) realized using AlxGa1-xN/GaN are relatively new technology which is prominent for high-speed and high-power applications. Some of the main problems with this technology were identified as dynamic RDSon, current collapse and threshold voltage instabilities due to the off-state stress. What was less investigated is the effect of the off-state stress on the leakage current at lower voltages. In this work, multiple devices with various initial leakage currents are stressed at different stress conditions (drain voltage, temperature, duration) and the development of drain-source on-state resistance (RDSon), threshold voltage (Vth) and drain-source leakage current (IDSS) after stress are tracked. It was found out that devices with initially higher leakage exhibit higher RDSon and Vth before stress, which simulations attributed to the higher Al mole fraction in the back-barrier or less unintentional doping in the channel layer. During the off-state stress (VDS = 900 V), the leakage current shortly rises and then sharply drops, presumably because of the charge redistribution in the back-barrier. After the stress, no larger changes were observed for RDSon and Vth , but they were for the leakage current i.e., initially low leakage devices had post-stress leakage increase, while initially high leakage devices had post-stress leakage decrease. This is assumed to be caused by the charge redistribution. Parasitic capacitance measurements showed the rise of the pre-stress input, output and reverse transfer capacitances with the pre-stress leakage, which could presumably be explained by higher Al mole fraction inducing more charges in the channel layer, deeming higher Al mole fraction in the back-barrier as a main assumed cause for all the observed effects. After the stress, capacitance changes were tentatively explained by the charge redistribution in the back-barrier. Finally, high temperature was shown to significantly reduce the observed long time to recovery. However, more measurements are needed to further observe this influence. Additionally, more experiments (e.g., on wafer, G-ω measurement, etc.) are needed in general to further investigate the mechanisms behind these memory effects. / Transistorer med extra hög elektronmobilitet, sk HEMT-ar (high electron mobility transistor) kan fabriceras med hjälp av materialen galliumnitrid (GaN) och aluminium-galliumnitrid (AlxGa1-xN). GaN HEMT-ar lämpar sig mycket väl för kraftkomponenter för höga frekvenser. Några av problemen med denna nya teknologi är hög resistans mellan ”drain” och ”source”, RDSon, reduktion av mättnadsströmmen (”current collapse”) och instabiliteter hos styrets tröskelspänning (Vth) när komponenterna stressas i avslaget tillstånd. Mindre känt är effekterna av stress för en avslagen komponent på läckströmmen (IDSS) vid låga påkänningar. I detta arbete har komponenter med varierande läckströmmar utsatts för olika typer av stress, t ex drain-spänning och höjd temperatur under olika långa tider samtidigt som parametrarna RDSon, Vth och IDSS har uppmätts. Det kunde noteras att komponenter med initialt högre läckströmmar hade högre RDSon och Vth innan de utsattes för stress, vilket med hjälp av simuleringar kunde visas bero på högre Al-molfraktion i skiktet under AlxGa1-xN-lagret, alternativt lägre dopning i kanal-lagret. Vid stress (VDS = 900 V) med komponenterna i avslaget tillstånd ökade läckströmmen kortvarigt för att sedan minska, troligtvis beroende på att laddningar omfördelas i lagret under kanal-skiktet. Efter stress sågs inte några större förändringar hos RDSon och Vth , men förändringar syntes på läckströmmen: komponenter med initialt låga läckströmmar visade ökning av läckströmmen efter stress, medan komponenter med initialt höga läckströmmar visade en post-stress minskning av läckström. Detta antas bero på den nämnda omfördelningen av laddningar djupare ner i komponenterna. Mätningar av parasitisk kapacitans visade på en ökning av pre-stress in- och ut-kapacitanserna (Ciss, Coss) samt ”gate-drain”-kapacitansen som funktion av pre-stress läckströmmar. Detta kan möjligtvis förklaras av att en högre andel Al inducerar mer laddningar i kanalen, vilket indikerar att högre Al-molfraktion i skiktet under kanal-lagret är orsaken till många av de effekter som setts. Kapacitansförändringar efter stress förklaras troligen av att laddningarna i detta lager återgår. Till sist noteras också att hög temperatur tydligt reducerade den långa tiden som komponenterna behövde för att återhämta sig. Det var också tydligt att mer mätningar är nödvändiga för att ytterligare säkerställa de uppmätta förändringarna, t ex mätningar av G-ω på icke kapslade chips, skulle kunna öka förståelsen för dessa minneseffekter.

Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire, portent sur la conception et l’étude de MOSFETs de puissance faible tension pour des applications automobiles micro-hybrides de type alterno-démarreur. Pour certaines de ces applications, en plus des modes de fonctionnement standards passant et bloqué, les composants développés doivent être capables de fonctionner en mode d’avalanche à fort courant et à des températures élevées. Pour reproduire en laboratoire ces conditions de fonctionnement, les MOSFETs sont soumis à un test UIS répétitif spécifique. Afin d’évaluer la température du silicium pendant ce test, plusieurs méthodes de mesure de température ont été développées et comparées. En parallèle, un suivi des paramètres électriques standards (BVDSS, IDSS, RDSon…) tout au long du test est effectué, dans le but de déterminer l’impact de l’avalanche répétitive sur le transistor. Seule la RDSon des MOSFETs semble évoluer avec le nombre d’impulsions d’avalanche. Ce phénomène est expliqué par la méthode de mesure de RDSon et par la variation de la résistance du métal source pendant le cyclage. En effet, différentes observations ont permis de constater un vieillissement de la métallisation de source du composant, accompagné d’une modification de sa résistivité. Divers types de métaux et de techniques d’assemblage ont alors été expérimentés pour tenter de limiter cet effet. Aussi des structures de test ont été conçues pour étudier l’évolution du métal et pour pouvoir comparer rapidement le comportement de différentes métallisations / Research work presented in this thesis concern the conception and the study of low voltage power MOSFETs for micro hybrid vehicles (starter alternator). For some of these applications, developed transistors must be able to operate in classical ON and OFF state mode and in avalanche mode at high current and high temperature. To reproduce this operating mode, MOSFETs are submitted to a specific repetitive UIS test. In order to evaluate silicon’s temperature during this test, several temperature measurement methods have been developed and compared. In parallel, in order to understand the impact of repetitive avalanche on the transistor, standard electrical parameters (BVDSS, IDSS, RDSon…) are monitored during the test. The only parameter that seems to be shifting with the number of cycles is the RDSon. This phenomenon is due to the measurement method and to a variation of source metallization resistance during cycling. Indeed several observations have shown source metallization ageing and a shift in its resistivity. Different metallization and assembly parameters have been tested to limit this phenomenon. Also various test structures have been designed to study metallization evolution and to compare different metallization behaviors

Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire, portent sur la conception et l'étude de MOSFETs de puissance faible tension pour des applications automobiles micro-hybrides de type alterno-démarreur. Pour certaines de ces applications, en plus des modes de fonctionnement standards passant et bloqué, les composants développés doivent être capables de fonctionner en mode d'avalanche à fort courant et à des températures élevées. Pour reproduire en laboratoire ces conditions de fonctionnement, les MOSFETs sont soumis à un test UIS répétitif spécifique. Afin d'évaluer la température du silicium pendant ce test, plusieurs méthodes de mesure de température ont été développées et comparées. En parallèle, un suivi des paramètres électriques standards (BVDSS, IDSS, RDSon&) tout au long du test est effectué, dans le but de déterminer l'impact de l'avalanche répétitive sur le transistor. Seule la RDSon des MOSFETs semble évoluer avec le nombre d'impulsions d'avalanche. Ce phénomène est expliqué par la méthode de mesure de RDSon et par la variation de la résistance du métal source pendant le cyclage. En effet, différentes observations ont permis de constater un vieillissement de la métallisation de source du composant, accompagné d'une modification de sa résistivité. Divers types de métaux et de techniques d'assemblage ont alors été expérimentés pour tenter de limiter cet effet. Aussi des structures de test ont été conçues pour étudier l'évolution du métal et pour pouvoir comparer rapidement le comportement de différentes métallisations.