Optimisation des modèles thermiques de transistors de puissance en vue d'une instrumentation in-situ. // optimization of thermal models of power transistors for in-situ instrumentation.

Topic description

Les semi-conducteurs à large bande interdite comme le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN) se développent rapidement grâce à leurs performances supérieures par rapport au silicium traditionnel. Ces matériaux permettent aux composants électroniques de fonctionner à des températures de jonction plus élevées (jusqu'à °C contre °C pour le Si), d'opérer sous des tensions plus importantes et de commuter plus rapidement. Ces caractéristiques combinées améliorent significativement l'efficacité énergétique des systèmes électroniques.
Les applications de ces semi-conducteurs sont variées et couvrent plusieurs domaines technologiques. Dans l'industrie, les moteurs équipés de variateurs de vitesse en SiC sont plus efficaces et nécessitent moins de câblage, réduisant ainsi les coûts et les ressources nécessaires. Pour les véhicules électriques, l'utilisation de SiC permet d'augmenter l'autonomie et de réduire la taille des batteries, ce qui diminue les coûts. Dans le secteur des énergies renouvelables, les onduleurs solaires utilisant ces matériaux sont plus compacts et plus efficaces, ce qui permet de réduire les coûts et d'augmenter la production d'énergie propre.
Bien que les dispositifs en SiC et GaN soient plus coûteux à produire que ceux en silicium, leur utilisation entraîne une économie globale de 20% sur le coût total des systèmes grâce à des composants plus légers et une meilleure gestion thermique. La conductivité thermique supérieure de ces matériaux permet en effet une meilleure dissipation de la chaleur, ce qui prolonge la durée de vie des composants. En effet, une augmentation de seulement 10°C de la température de fonctionnement peut diviser par deux la durée de vie des composants électroniques.
Cependant, la conception de ces composants pose des défis importants en matière de gestion thermique. Les structures hétérogènes et les nombreuses interfaces entre couches minces (de quelques nanomètres à quelques micromètres) peuvent limiter la dissipation de la chaleur. Bien que le SiC et le GaN possèdent une excellente conductivité thermique, les interfaces avec d'autres matériaux (comme l'AlN, le Ti ou le TiN) deviennent prépondérantes, limitant ainsi les transferts thermiques. Il est donc essentiel d'étudier ces interfaces pour optimiser l'adéquation entre le comportement électronique des composants et leur dissipation thermique.
Ce projet répond à une demande spécifique de l'industriel Thales, qui a besoin de caractériser les propriétés thermiques de matériaux diélectriques et semi-conducteurs en couches minces utilisés dans les transistors de puissance radiofréquences (RF) fonctionnant en hautes fréquences (HF). Ces composants présentent des besoins importants en dissipation de chaleur, en fiabilité et en durabilité.
L'objectif principal du projet est d'améliorer la connaissance des propriétés thermiques de ces couches minces afin de mieux comprendre le lien entre ces propriétés et les processus de fabrication. Cela permettra d'alimenter les codes de calcul et de simulation électrothermiques pour optimiser la conception des composants microélectroniques chez Thales.
Le projet vise également à développer une instrumentation in-situ pour mesurer précisément la température de jonction et minimiser les points chauds dans les composants.
Pour atteindre ces objectifs, deux méthodes seront comparées afin d'assurer la précision et la robustesse des résultats obtenus pour l'estimation des propriétés et des résistances thermiques d'interfaces des matériaux : la thermo-réflectance (TDTR, NanoTR) et la radiométrie photothermique modulée (FD-PTR).
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Wide-bandgap semiconductors such as silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN) are rapidly developing due to their superior performance compared to traditional silicon. These materials enable electronic components to operate at higher junction temperatures (up to °C compared to °C for Si), withstand higher voltages, and switch faster. These combined characteristics significantly improve the energy efficiency of electronic systems.
The applications of these semiconductors are diverse and span multiple technological fields. In industry, motors equipped with SiC variable speed drives are more efficient and require less wiring, reducing costs and resource consumption. For electric vehicles, the use of SiC increases range and reduces battery size, lowering costs. In the renewable energy sector, solar inverters using these materials are more compact and efficient, reducing costs and increasing clean energy production.
Although SiC and GaN devices are more expensive to produce than silicon-based ones, their use results in a 20% overall cost savings for the total system due to lighter components and better thermal management. The superior thermal conductivity of these materials enables better heat dissipation, extending component lifespan. Indeed, a mere 10°C increase in operating temperature can halve the lifespan of electronic components.
However, designing these components presents significant thermal management challenges. Heterogeneous structures and numerous interfaces between thin layers (ranging from nanometers to micrometers) can limit heat dissipation. While SiC and GaN have excellent thermal conductivity, interfaces with other materials (such as AlN, Ti, or TiN) become dominant, thus limiting thermal transfer. Therefore, studying these interfaces is essential to optimize the balance between the electronic behavior of components and their thermal dissipation.
This project addresses a specific need from the industrial partner Thales, which requires characterizing the thermal properties of dielectric and semiconductor thin films used in high-frequency (HF) radiofrequency (RF) power transistors operating at high frequencies. These components have significant heat dissipation, reliability, and durability requirements.
The project's main objective is to improve the understanding of the thermal properties of these thin films to better link them to manufacturing processes. This will help feed electrothermal calculation and simulation codes to optimize the design of microelectronic components at Thales.
The project also aims to develop in-situ instrumentation to precisely measure junction temperature and minimize hot spots in components.
To achieve these objectives, two methods will be compared to ensure the accuracy and robustness of the results obtained for the estimation of properties and thermal interface resistances of materials: thermo-reflectance (TDTR, NanoTR) and modulated photothermal radiometry (FD-PTR).
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Début de la thèse : 01/10/

Funding category

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Funding further details

Concours pour un contrat doctoral