Zur Ermittlung der Zuverlässigkeit von leistungselektronischen Bauelementen sind eine Reihe von Testverfahren etabliert. In Lastwechseltests ist die Temperatur der dominierende Parameter für bekannte Lebensdauermodelle. Aufgrund des Aufbaus und der Eigenschaften von AlGaN/GaN-Bauelementen ist es notwendig, neue Methoden zur Temperaturbestimmung zu etablieren. Die Untersuchungen berücksichtigen dabei verschiedene Bauteilkonzepte. Dazu gehören High Electron Mobility Transistors (HEMT) mit Schottky/p-Gate, für die eine Verwendung des Gateleckstromes als temperatursensitiver elektrischer Parameter (TSEP) untersucht und zur Temperaturbestimmung empfohlen wird. Für Gate Injection Transistors (GIT) wird ein ähnlicher Ansatz verfolgt. Aufgrund der Gatestruktur dieser stromgesteuerten Bauelemente wird vorgeschlagen, den vorhandenen pn-Übergang am Gate des GIT HEMT unter Verwendung der Gate-Source-Spannung als TSEP zu nutzen. In beiden Fällen erreichen die temperatursensitiven Parameter eine Messauflösung, die mindestens der des pn-Übergangs bei Si-Bauelementen entspricht. Im Lastwechseltest bestimmt im Wesentlichen die verwendete Aufbau- und Verbindungstechnik außerhalb des diskreten Packages die mögliche Zyklenzahl. Werden SMD-Bauelemente auf PCB gelötet, dominiert die Lotverbindung zwischen Bauteil und PCB den Ausfall. Durch ein neues Aufbaukonzept mit in Module gesinterten AlGaN/GaN Packages sind Zyklenzahlen möglich, die bis Faktor 10 über dem Erwartungswert für vergleichbare Si-Bauelemente mit Standard AVT liegen.

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Les HEMT à base de nitrure de gallium sont des composants très prometteurs en termes de performances en puissance et de fréquence de travail. L'enjeu est donc de développer des technologies performantes et fiables, afin d'intégrer ces transistors aux systèmes hyperfréquences, notamment dans le domaine des télécommunications, et en milieu durci. Les travaux ont été focalisés sur l'étude de la localisation des sources de bruit en excès aux basses fréquences, et de leur évolution suite aux phases de tests de vieillissement accéléré. Les caractérisations électriques ont été réalisées sur des structures fabriquées sur quatre plaques, dont trois sont basées sur une hétérostructure AlGaN/GaN, et la quatrième sur l'hétérostructure AlInN/AlN/GaN. Les résultats obtenus ont permis de valider une méthode de modélisation des sources de bruit en 1/f, localisées dans les zones d'accès aux contacts ohmiques et dans le canal. Des tests de vieillissement accéléré sous contraintes électriques ont permis de détecter des dégradations des performances statiques et du niveau de bruit en excès. Les effets combinés de piégeage et des effets thermiques expliquent ces dégradations, la température s'en étant révélée un facteur d'accélération. / The HEMT based on GaN materials are very promising, speaking of performance in power and frequency. The challenge is to develop efficient and reliable GaN based technologies, to intagrate these transistors to power microwave circuits, especially in the telecommunications field and on harsh environment. The work was focused on the study of the location of low frequency noise sources, and their evolution after accelerated life tests. The electrical characterizations were performed on structures made on four different wafers, three based on the AlGaN/GaN heterostructure, and the fourth based on the AlInN/AlN/GaN heterostructure. Thanks to the achieved results, a method for modeling 1/f noise sources, located in the channel and in the ohmic contacts access areas, has been validated. Life tests under electrical stress have been performed to detect DC and excess noise degradation. These degradations are explained by combined effects of trapping and thermal phenomena, with the temperature as an acceleration factor of degradation.

Cette thèse vise à améliorer la méthode d'analyse du fond continu inélastique afin de l'appliquer à des cas qui présentent un intérêt technologique. En effet, ces améliorations sont cruciales car elles portent sur des critères de précision et de gain de temps, plus particulièrement pour l’étude de dispositifs présentant plusieurs couches profondément enterrées de matériaux bien distincts. Ainsi, l'analyse du fond continu inélastique associée à la spectroscopie de photoélectrons à rayons X durs (HAXPES) présente un grand intérêt car l’HAXPES permet de sonder plus profondément dans un échantillon qu'avec la spectroscopie de photoélectrons à rayons X classique (XPS). Ce présent travail porte sur des échantillons technologiquement pertinents, principalement des transistors à haute mobilité d'électrons (HEMTs), à certaines étapes cruciales de leur processus de fabrication, tels que des recuits. Il est donc très important que ces analyses soient effectuées de manière non destructive afin de préserver les interfaces enterrées. Ce sont souvent l'emplacement de phénomènes complexes qui sont critiques pour les performances du dispositif et une meilleure compréhension est une condition préalable à l’amélioration des dispositifs. Dans ce travail, les phénomènes de diffusion en profondeur sont étudiés grâce à l’analyse du fond continu inélastique associée à l’HAXPES (en utilisant le logiciel QUASES) pour des profondeurs allant jusqu'à 60 nm. Les résultats de distribution en profondeur présentent des écarts par rapport aux mesures TEM inférieures à 5%. Le choix des paramètres d'entrée de la méthode est discuté pour une large gamme d'échantillons et des règles simples en sont issues qui rendent l'analyse réelle plus facile et plus rapide à effectuer. Enfin, il a été montré que la spectromicroscopie faite avec la technique HAXPEEM peut fournir des spectres à chaque pixel utilisables pour l’analyse du fond continu inélastique. Cela peut fournir une cartographie 3D de la distribution en profondeur des éléments de manière non-destructive. / This thesis aims at improving the inelastic background analysis method in order to apply it to technologically relevant samples. Actually, these improvements are utterly needed as they concern criteria of accuracy and time saving particularly for analysis of devices presenting deeply buried layers with different materials. For this purpose, the interest of the inelastic background analysis method is at its best when combined with hard X-ray photoelectron spectroscopy (HAXPES) because HAXPES allows to probe deeper in the sample than with conventional X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The present work deals with technologically relevant samples, mainly the high-electron mobility transistor (HEMT), at some crucial steps of their fabrication process as annealing. Actually, it is very important that these analyses shall be performed non-destructively in order to preserve the buried interfaces. These are often the location of complex phenomena that are critical for device performances and a better understanding is often a prerequisite for any improvement. In this thesis, the in-depth diffusion phenomena are studied with the inelastic background analysis technique (using the QUASES software) combined with HAXPES for depth up to 60 nm. The depth distribution results are determined with deviations from TEM measurements smaller than a typical value of 5%. The choice of the input parameters of the method is discussed over a large range of samples and simple rules are derived which make the actual analysis easier and faster to perform. Finally, it was shown that spectromicroscopy obtained with the HAXPEEM technique can provide spectra at each pixel usable for inelastic background analysis. This is a proof of principle that it can provide a 3D mapping of the elemental depth distribution with a nondestructive method. / Denne afhandling har til formål at forbedre den uelastiske baggrundsanalysemetode til anvendelser i den til teknologiske industri. Faktisk er disse forbedringer absolut nødvendige, for at opnå nøjagtighed og tidsbesparelse, især for analyse af prøver med dybt begravede lag af forskellige materialer. Til det formål er interessen for den uelastiske baggrundsanalysemetode bedst i kombination med hård røntgenfotoelektron-spektroskopi (HAXPES), fordi HAXPES gør det muligt at probe dybere i prøven end med konventionel røntgenfotoelektron-spektroskopi (XPS). Dette arbejde beskæftiger sig med teknologisk relevante prøver, hovedsagelig høj-elektron mobilitetstransistor (HEMT), på nogle afgørende trin i deres fremstillingsproces som fx annealing. Faktisk er det meget vigtigt, at disse analyser udføres på en ikke-destruktiv måde for at bevare de begravede grænseflader. Det er ofte her de komplekse fysiske fænomener opstår, som er kritiske for fuktionaliteten, og en bedre forståelse af grænsefladerne er ofte en forudsætning for at kunne forbedre denne. I denne afhandling studeres de dybdegående diffusionsfænomener med den uelastiske baggrundsanalyse teknik (ved hjælp af QUASES software) kombineret med HAXPES for dybder op til 60 nm. Dybdestributionsresultaterne har afvigelser fra TEM-målinger mindre end en typisk værdi på 5%. Valget af input parametre for metoden er diskuteret på bagground af et stort udvalg af prøver samt omfattende simuleringer og enkle regler er udledt, hvilket gør den praktiske analyse nemmere og hurtigere at udføre. Endelig blev det vist, at spektromikroskopi opnået med HAXPEEM-teknikken kan tilvejebringe spektre ved hver enkelt pixel som kan anvendes til uelastisk baggrundsanalyse. Dette viser at i princippet kan en 3D-billeddannelse af den elementære dybdefordeling bestemmes ikke destruktivt.

La fabrication des composants semi-conducteurs à base de nitrure de gallium (GaN) connaît actuellement une grande expansion. Ce matériau, par ces propriétés physico-chimiques intéressantes, est un très bon candidat pour la fabrication des composants de puissance à haute fréquence de fonctionnement. Dans la pratique, avant d’intégrer ces composants dans un système électronique, l’analyse de leur fiabilité est une étape nécessaire pour valider la technologie de fabrication utilisée. L’objectif de ce travail est la détermination des mécanismes physiques responsables de la dégradation des performances des Transistors à Haute Mobilité Electronique (HEMT) à base d’hétérostructures AlGaN/GaN et AlInN/GaN. Dans un premier temps, la caractérisation en régime statique des composants, par des mesures de courant et de capacité à différentes températures, nous a permis de repérer certaines anomalies dans les caractéristiques des composants. Cette non-idéalité liée aux effets thermiques semble provenir des mécanismes de piégeage des porteurs par les défauts dans le matériau. Dans le but d’analyser ces mécanismes, des mesures de spectroscopie de défauts profonds (DLTS) ont été effectuées sur la capacité de type Schottky du contact de la grille. L’étape suivante a consisté à mesurer les pièges profonds dans les HEMTs par DLTS en courant de drain, de façon à déterminer quels défauts influencent directement le courant dans ces dispositifs. Cette étude a été effectuée sur différents composants avec différentes géométries pour analyser au mieux le comportement de ces pièges. L’étude du contact de grille est aussi une étape importante pour déterminer les origines de défaillance des composants. Pour cela, nous avons réalisé une étude approfondie sur les différents mécanismes de transport à travers la barrière métal/semi-conducteur. Cette étude nous a permis de conclure sur la stabilité du contact de grille après les tests de vieillissement accélérés. / The manufacture of semiconductor components based on gallium nitride (GaN) is currently undergoing a major expansion. This material, by his physical and chemical attractive properties, is a very good candidate for the manufacture of high power and hign frequency operating components. In practice, before integrating these components in an electronic system, the analysis of reliability is a necessary step to validate the used manufacturing technology. The objective of this work is to determine physical mechanisms responsible for the performance degradation of high electron mobility transistors (HEMT) based on AlGaN/GaN and AlInN/GaN heterostructures. At first, the static characterization of the components, by current and capacitance measurements at different temperatures, allowed us to identify anomalies in the characteristics. This non-ideality due to thermal effects seem to come from the trapping mechanisms of carriers by defects in the material. In order to analyze these mechanisms, deep levels transient spectroscopy measurements(DLTS) were carried out on the Schottky contact of the gate. The next step was to measure the deep traps in HEMTs by DLTS on drain current, in order to identify defects directly related to the current in these devices. This study was performed on different components with different geometries to analyze the behavior of these traps. The study of the gate contact is an important step in determining the origin of component failure. For this, we conducted a deep study on different transport mechanisms across the metal/semiconductor barrier. This study allowed us to conclude on the stability of the gate contact after the accelerated aging tests.

En la presente tesis se muestra una nueva metodología de extracción "inteligente" de modelos circuitales lineales y no lineales para dispositivos MESFET y HEMT, además de efectuar numerosas aportaciones en el campo de las medidas radioeléctricas de dichos dispositivos mediante diseño del hardware y del software necesario para la automatización de las mismas. Por otro lado se presenta un novedoso modelo de Gran Señal para dispositivos HEMT de potencia que da cuenta del fenómeno de la compresión de la transconductancia y es fácilmente implementable en simuladores no lineales comerciales del tipo de MDS, LIBRA, HARMONICA, etc. Además se ha aumentado el rango de validez frecuencial de los modelos de pequeña señal mediante la obtención de las expresiones "exactas" de los modelos usuales de pequeña señal Vendelin-Dambrine, Vickes, Berroth & Bosch, etc. Otra novedad aportada por este trabajo de tesis ha sido aplicar estos modelos lineales a los transistores HEMT, evitando la obtención valores carentes de significado físico como ocurría hasta ahora. Como validación del modelo no lineal de HEMT se han llevado a cabo numerosas simulaciones del mismo en MDS que han sido comparadas con las medidas experimentales realizadas en nuestro laboratorio (Scattering, DC, Pulsadas y Pin/Pout) poniendo de manifiesto la exactitud del modelo. Para validar los modelos de pequeña señal se han efectuado simulaciones con el simulador lineal MMICAD utilizando transistores de diferentes tamaños procedentes de distintas foundries con objeto de visualizar el comportamiento del dispositivo independientemente del origen del mismo. / In this thesis a new methodology for the "intelligent" parameter extraction of linear and non-linear model for GaAs MESFET and HEMT devices is shown, besides numerous contributions in the field of Scattering and DC measurements of this kind of devices by means of hardware design and necessary software for the automation of the same have been done. On the other hand a novel Great Signal model for HEMT devices is presented. This model is capable to model the transconductance compression phenomenon and it is easily to built in commercial non-linear simulators like MDS, LIBRA, Microwave HARMONICA, etc. This work has also increased the frequency range for the usual small-signal models by means of calculate "exact" expressions of them. Another novelty contribution of this thesis is to apply for first time these linear models to HEMT transistors, avoiding the lacking of physical meaning values like it occurred up to now. To make possible the validation of non-linear HEMT model, simulations with MDS software and comparisons with experimental measurements made in our laboratory (Scattering, DC, Pulsed and Pin/ Pout) have been carried out and there was very good agreement between measured and simulated data. To validate small-signal models referred before, simulations with MMICAD software and comparisons between simulated and experimental scattering measurements using transistors of different sizes from several foundries and technological processes have been made.