Méthodes de caractérisation avancée pour l évaluation de la fiabilité des filières GaN

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1 Méthodes de caractérisation avancée pour l évaluation de la fiabilité des filières GaN Le salon des radiofréquences, des hyperfréquences, du wireless, de la CEM et de la Fibre Optique CNIT - Paris La Défense - 1 & 2 avril 2015 Agostino Benvegnù J. Delprato J.L. Roux P. Eudeline M.Campovecchio D. Barataud

2 Sommaire I. Etude de la Fiabilité sous stress RF monitoré Motivation Etude du Vieillissement RF par monitoring temporel: Présentation du banc de caractérisation temporel Protocole de caractérisation Résultats du monitoring et Evaluation des évolutions de performances entre les stress Conclusion II. Etude de la Fiabilité en termes de stabilité pulse à pulse Motivation Définition de la stabilité pulse à pulse (P2P) Résultats de mesures de stabilité P2P Comparaison avec des simulation de stabilité P2P Modélisation Conclusion 2

3 Sommaire I. Etude de la Fiabilité sous stress RF monitoré Motivation Etude du Vieillissement RF par monitoring temporel: Présentation du banc de caractérisation temporel Protocole de caractérisation Résultats du monitoring et Evaluation des évolutions de performances entre les stress Conclusion II. Etude de la Fiabilité en termes de stabilité pulse à pulse Motivation Définition de la stabilité pulse à pulse (P2P) Résultats de mesures de stabilité P2P Comparaison avec des simulation de stabilité P2P Modélisation Conclusion 3

4 Motivation Banc de vieillissement RF classique (RF life stress) Informations plus précises sur la dégradation Nécessité de visualiser les formes d ondes temporelles J. Joh, J. A. Del Alamo, U. Chowdhury, et J. L. Jimenez, «Correlation between RF and DC reliability in GaN high electron mobility transistors», in ROCS Workshop, 2008 [Reliability of Compound Semiconductors Workshop], 2008, p

5 VIEILLISSEMENT RF TEMPOREL Banc utilisé : LSNA (Large Signal Network Analyzer ) Evaluer la technologie en très forte compression par le biais d essais longue durée Mesurer des formes d ondes temporelles (FOT) aux accès du DUT pour différentes conditions d adaptation et à puissance constante. Alim DC Générateur RF TUNER LSNA Coupleur en entrée DST Coupleur en sortie 5

6 Le banc LSNA (1) a 1RF (t) Down conversion circuit d échantillonnage Pulse shaping Mise en forme d impulsions Filter Filtre Passe bas Amplificateur Amplifier à gain variable Analog Digital Converter b 1RF (t) DC - 4 MHz ADC CAN 23 bits b 1BF a 1BF SRD Diode = Pulse generator Synthétiseur Synthesizer (Frac N) Reference Clock 10 MHz Microprocesseur Microprocessor a 2RF (t) DC - 4 MHz ADC CAN 23 bits a 2BF b 2BF b 2RF (t) DC 4 MHz FI Output CAN ADC 23 bits 6

7 Le banc LSNA (2) Une procédure de calibration complète (absolue et relative) sous pointes permet de déterminer les FOT de la tension et du courant RF dans les plans d entrée et de sortie du DST: Calibration relative avec un kit d'étalonnage Cascade (SOLT) dans les plans d entrée des coupleurs d entrée et sortie. Calibration absolue en puissance des ondes a et b par un étalon de puissance (wattmètre connectorisé) connecté dans les plans d entrée du coupleur d entrée. Calibration en phase des ondes a et b par un étalon de phase (HPR : Harmonic Phase Reference). 7

8 STEP STRESS de 24H Conditions de vieillissement: 3 différents compression du Gain : 4dBc, 8dBc & 12dBc Point de polarisation in classe AB Vds=50V) G out_opt_pae (f 0 )=0,65/90,(2f 0 )=0,61/72,(3f 0 )=0,57/137 F 0 =4GHz Acquisition FOT (f 0,2f 0,3f 0 ) chaque 10 min DUT :8x250µm AlGaN/GaN HEMT (L G =0,5µm) Protocole caractérisation: Mesures I-V DC (Diode GS, Id-Vg, Id-Vd) Mesures I-V pulsées: réseau froid (V Gbl =0V, V Dbl =0V) réseau gate-lag (V Gbl =-5V, V Dbl =0V) réseau drain-lag (V Gbl =-5V, V Dbl =50V) réseau chaud (V Gbl =-1,99V, V Dbl =50V) Mesures paramètres-s pulsés sur la droite de charge Balayages en puissance 8

9 Formes d ondes temporelles pendant les stress Conditions de vieillissement: classe AB Vds=50V) G out_opt_pae (f 0 )=0,65/90,(2f 0 )=0,61/72,(3f 0 )=0,57/137 F 0 =4GHz 4dBc (Pin=20dBm) 8dBc (Pin=25dBm) 12dBc (Pin=28dBm) 9

10 Paramètres DC pendant les stress Conditions de vieillissement: classe AB Vds=50V) G out_opt_pae (f 0 )=0,65/90,(2f 0 )=0,61/72,(3f 0 )=0,57/137 F 0 =4GHz 4dBc (Pin=20dBm) 8dBc (Pin=25dBm) 12dBc (Pin=28dBm) 10

11 Paramètres DC entre les stress 11

12 Mesures IV impulsionnelles (1) entre les stress Réseau froid (V Gbl =0V, V Dbl =0V) T0 T2 T4 T6 IdVg@Vds=5V 12

13 Mesures IV impulsionnelles (2) entre les stress Réseau gate-lag (V Gbl =-5V, V Dbl =0V) T0 T2 T4 T6 Réseau drain-lag (V Gbl =-5V, V Dbl =50V) réseau chaud (V Gbl =-1,99V, V Dbl =50V) 13

14 [S] 50mA at 50V entre les stress S11 S21 T0 T2 T4 T6 S12 S22 14

15 Mesures Fort signal CW entre les stress classe AB Vds=50V) G out_opt_pae (f 0 )=0,65/90,(2f 0 )=0,61/72,(3f 0 )=0,57/137 F 0 =4GHz T0 T2 T4 T6 15

16 Conclusion & perspectives Méthodologie avancée permettant l investigation de la fiabilité pour des transistors GaN pour les applications spatiales est présentée FOT ne présentent pas de variation et de dégradation au cours du protocole de vieillissement monitoré Les caractéristiques I-V (DC et pulsées), à petit signal et à fort signal ne montrent pas de variation et dégradation Perspectives: Incrément pour chaque step stress à 240 heures pour soumettre le transistor à une durée plus réaliste de fonctionnement en stress RF 16

17 Sommaire I. Etude de la Fiabilité sous stress RF monitoré Motivation Etude du Vieillissement RF par monitoring temporel: Présentation du banc de caractérisation temporel Protocole de caractérisation Résultats du monitoring et Evaluation des évolutions de performances entre les stress Conclusion II. Etude de la Fiabilité en termes de stabilité pulse à pulse Motivation Définition de la stabilité pulse à pulse (P2P) Résultats de mesures de stabilité P2P Comparaison avec des simulation de stabilité P2P Modélisation Conclusion 17

18 Motivation Mesure de la cohérence de la phase et amplitude de pulse à pulse Validation tardive de l exigence stabilité pulse à pulse Prédiction de la stabilité dès la phase de conception des amplificateurs en technologie GaN Mesure d enveloppe sur des séquences de pulse RF pour la stabilité pulse à pulse. Simuler en zone non linéaire avec des rafales irrégulières: Transitoire d enveloppe Définir une spécification stabilité pulse à pulse : Quels font les facteurs qui influent le plus sur la stabilité pulse à pulse? 18

19 Mesure de la stabilité pulse à pulse Generation M Rafales Periodiques et cohérentes de N pulses ~ x ( t ) m=1 (1 ère rafale) m=2 (2 ème rafale) i=1 i=2 i=8 (8 ème pulse) i=1 i=8 (8 ème pulse) Temps X im (t k ) = Mesure du i ème pulse de la m ème rafale Echantillons : t 1 i=8 (8 ème pulse) m=1 (1 ère rafale) t 2 t k Temps t k+1 t k = T éch Calcul d une Rafale Moyenne Cohérente: Diminution du bruit de mesure 19 19

20 Définition de la stabilité pulse à pulse Rafale MOYENNE Cohérente Temps Stabilité pulse-à-pulse RMS instant t k x : phase ou amplitude de l enveloppe 20

21 Banc de mesure de stabilité P2P 2 calibrations Calibration en paramètres -S:[π out π meas ] Calibration en puissance : [π pow_in - π in ] & [π pow_out - π out ] 21

22 Influence du silence sur la stabilité d amplitude N = 8 Pulses Stabilité P2P d amplitude (db) T OFF =8ms T OFF =6ms T OFF =4ms T OFF =4ms PN9002 T OFF =2ms T OFF =1ms PW = 50 µs PRP = 250 µs Fo = 3 GHz Pout = 39 dbm (3dB compression) Temps (µs) Fort impact de la durée du silence sur la valeur de la stabilité P2P Profil de P2P similaire 22

23 Influence du silence sur la stabilité de phase N = 8 Pulses Stabilité P2P de phase (db) T OFF =8ms T OFF =6ms T OFF =4ms T OFF =4ms PN9002 T OFF =2ms T OFF =1ms PW = 50 µs PRP = 250 µs Fo = 3 GHz Pout = 39 dbm (3dB compression) Temps (µs) Fort impact de la durée du silence sur la valeur de la stabilité P2P 23

24 Enveloppes temporelles en amplitude et phase Silence de 8ms Amplitude Normalisée Pulse 1 Pulse 2 P1 P3 P8 8ms P Temps Pulse 8 Phase (rad) Pulse Temps (µs) Pulse 2 Pulse Temps (µs) Amplitude : 3 pulses état quasi établi Phase : 2 pulses état quasi établi 24

25 Stabilités P2P Influence relative de chaque pulse Stabilité P2P Amplitude (db) Stabilité P2P Phase (db) Pulses 2 à 8 Pulses 1 à 8 (entier) Pulses 3 à 8 Pulses 4 à 8 (4 derniers) Temps (µs) Stabilité constante au bout de ~2 pulses Temps (µs) Forte influence du silence sur le 1 er pulse 25

26 V out (V) Impact du modèle thermique - Stabilité d amplitude Stabilité d amplitude (db) V out (V) Amplitude 1 er pulse 1 er Pulse Amplitude 8 ième pulse 8 ème Pulse Mesure Mesure Simulation 2 cellules Simulation 2 cellules Simulation 3 cellules Simulation 3 cellules Temps (µs) Stabilité d amplitude Temps (µs) Mesure Mesure Simulation 2 cellules Simulation 3 cellules 2 RC thermiques 3 RC thermiques Temps (µs) 26

27 Phase φ out (rad) Impact du modèle thermique - Stabilité de phase Stabilité de phase (db) Phase 11 er Pulse pulse Phase 8 ème Pulse Mesure Simulation 2 cellules Simulation 3 cellules Time (µs) Stabilité de phase Mesure 2 RC thermiques Mesure Simulation 2 cellules Simulation 3 cellules 3 RC thermiques Temps (µs) 27

28 Etude thermique et pièges: Mesures/Simulations Modélisation non linéaire avec : 3 cellules RC thermiques pièges de Drain-Lag Stabilité P2P Amplitude (db) Mesure Simulation pièges k=0.06 Simulation pièges k=0.03 Simulation pièges k=0.01 Simulation pièges OFF Stabilité P2P Phase (db) Mesure Simulation pièges k=0.06 Simulation pièges k=0.03 Simulation pièges k=0.01 Simulation pièges OFF Temps (µs) Temps (µs) 28

29 Conclusions et Perspectives Conclusions : Très fort impact des silences sur la stabilité P2P de phase et d amplitude. Valeur maximum pour le silence Impact important du premier pulse sur la stabilité. Importance du modèle thermique pour modéliser la réponse temporelle 3 constantes de temps Modèle thermique insuffisant : les pièges doivent être pris en compte Perspectives : utilisation du banc pour évaluer la fiabilité au niveau composant en termes de stabilité P2P Conséquences du stress sur la stabilité pulse à pulse au niveau composant 29