Journée des Doctorants- 24 Janvier 2012

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1 AIR SYSTEMS Jean Baptiste FONDER 1, Cédric DUPERRIER 1, Olivier LATRY 2, Michel STANISLAWIAK 4, Philippe EUDELINE 4, Farid TEMCAMANI 3 1 Laboratoire ETIS 2 Laboratoire GPM 3 Laboratoire LaMIPS 4 THALES Air Systems Journée des Doctorants- 24 Janvier 2012

2 Contexte & objectifs de la thèse s

3 Contexte & objectifs Amplification de puissance pour le domaine RADAR Signal source Echo RADAR T/R Module RADAR Amplificateur de puissance Transistor (puce) Elément critique de la chaine d émission : Puissance consommée et dissipée importantes. Contraintes sévères (température, humidité, vibration) Fiabilité élevée requise. Plusieurs filières : Bipolaire (Si, SiGe, AsGa) LDMOSFET (Si) HEMT (AsGa, GaN) Matures Performances excellentes mais peu de retour d expérience sur la fiabilité. Mécanismes de défaillance spécifiques, relatifs aux forts champs électriques. 3

4 Contexte & objectifs Fiabilité des transistors RF de puissance, objectifs Tests pour l estimation de la fiabilité des transistors RF de puissance: Stress DC avec contrainte en température (communément employés par les fabricants : pertinence pour le GaN?). RF life tests CW avec contrainte en température. RF life test en mode pulsé avec contrainte en température. Les objectifs de cette étude : Mode de fonctionnement le plus représentatif du fonctionnement RADAR. Evaluer la fiabilité de la technologie GaN pour des applications RADAR. Mettre en place des profils de vieillissement et les caractérisations associées. Analyser les mécanismes de défaillances propres au GaN. Estimation d un MTTF basé sur un paramètre autre que la température.

5 IDS (A) Contexte & objectifs Choix du transistor Le NITRONEX NPTB00050 en quelques chiffres : 50W P 3dB & V DS0 =28V VDS BR 100V (mesuré >110V) I DSS 5A g m 3.2S Technologie GaN-on-Si Développement total de grille 16.8mm Modèle non linéaire électrothermique «boite noire» 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0, VDS (V) I DS = f(v DS ) mesuré en DC pulsé -1.8V<VGS<0V par pas de 0.1V Boitier AC-360B 5

6 50mm P Sortie (W) Contexte & objectifs Technique «Load Pull simulé»: En entrée : Z Source = Z Entrée Transistor *. En sortie : Z Charge pour maximiser P Sortie et η aj. V DS0 =28V I DS0 0mA Conception et réalisation Mesures VDS0=28V, IDS0 0mA, 3GHz, pulsé 450µs/3ms, T Châssis =20 C P SAT 50W 30mm Substrat Rogers LM : H=0.63mm ε r = GHz P Entrée (W) PAE (%) PAE 50% P Entrée (W) 6

7 I D (ma) Gain (db) PAE (%) Contexte & objectifs Objectif : Test en conditions de fonctionnement nominales S assurer de la stabilité de la technologie NITRONEX en conditions nominales. Protocole de test : V DS0 =28V et I DS0 =0mA (Classe B). Fréquence de travail : 3GHz. Température de châssis de 80 C. Fonctionnement RF pulsé saturé. Aucune dégradation significative du composant dans ces conditions de fonctionnement. Caractérisation RF Caractérisation statique P entrée (W) g m «Conception et qualification d un amplificateur de puissance radiofréquence à base de HEMT GaN.», JNMO 2010, Les Issambres. «Etude de la fiabilité d un amplificateur de puissance classe B à base de HEMT GaN, en bande S.», JNM 2011, Brest. V P -- : 48 h -- : 480 h -- : 1280 h V GS (V) 7

8 Contexte & objectifs Objectifs : Stress tests avec facteur d accélération (contrainte sur V DS0 ) Déterminer une loi de vieillissement basée sur V DS0. Etudier l influence du point de repos. Protocole de test: V DS0 =45V, I DS0 =0mA et I DS0 =200mA. Fréquence de travail : 3GHz. Température de châssis de 20 C. Fonctionnement RF pulsé saturé. Caractérisation RF Dégradations de même nature sur les deux amplificateurs. Modification des paramètres intrinsèques (g m, V P, R DSON, V TH Diode ). Mise en évidence de phénomènes de pièges. «Compared deep class-ab and class-b ageing on AlGaN/GaN HEMT in S-Band Pulsed-RF Operating Life», Microelectronics Reliability (article soumis). Caractérisation statique 8

9 Contexte & objectifs Modèle non linéaire tenant compte de la dégradation des performances Identification des paramètres responsables et de leur loi de variation : g m, V P, R DSon, V TH Diode avec évolution en t n Intégration dans un modèle non linéaire de transistor : I D (V D ) simulé et mesuré Puissance de sortie simulée et mesurée Intégration des paramètres variables I D (V D ) simulé avant stress et après stress Modélisation du transistor Comparaison modèle vs simulation «A Large Signal Reliability-based HEMT model considering high drain bias voltage operation», IEEE IMS 2012 (article soumis). 9

10 Contexte & objectifs Stress tests Résultats Corrélation entre signature électrique et analyse physique Caractérisation physique : extraction et analyse d une lame mince N 22%, Ga 78% N 8%, Al 12%, Ga 80% N 27% O 14% Si 59% N 19%, Al 31%, Ga 50% N 38%, Al 62% Si 100% N 22% Ga 78% 10

11 Mise en place d une méthodologie pour l étude de la fiabilité des transistors RF de puissance HEMT GaN : Utilisation de profils de vieillissement représentatifs du fonctionnement RADAR (RF pulsé saturé). Vérification de la stabilité de la technologie NITRONEX pour un fonctionnement nominal. Etude des dégradations sous vieillissement accéléré compte tenu des spécificités du GaN (stress en tension de drain accentuée). Intégration des aspects de fiabilité dans un modèle large signal de transistor. Analyse microstructurale : corrélation entre mesure physique et caractérisation électrique. Planning de 3 ème année : Jan Fév Mar Avr Mai Juin Juil Août Sept Oct Nov Déc Autres stress tests Analyse physique Rédaction

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