Analyse des param` etres influant la conduction dans un contact

Le contact m´etal-h´et´erostructure n´ecessite donc de franchir les barri`eres de potentiel et physique form´ees par la couche de AlGaN. Les modes de conductions pr´ec´edemment identifi´es dans le cas d’une simple barri`ere Schottky restent pr´esents. Nous pouvons toutefois s’attendre `a ce que leurs contributions soient modifi´ees du fait de la nature de la barri`ere, `a la fois ´electrique et physique.

Figure 1.14: Sch´ema de la structure de bandes 1D de l’h´et´erostructure AlGaN/GaN. Le 2DEG se situe dans le puits de potentiel form´e `a l’interface entre AlGaN et GaN,

cˆot´e GaN.

Comme nous l’avons d´ecrit dans le cas id´eal d’une barri`ere Schottky, les diff´erents modes de conduction font intervenir plusieurs param`etres, certains communs `a plusieurs modes, d’autres propres `a un seul. Parmi ces param`etres, on retrouve la temp´erature, la hauteur de la barri`ere de potentiel, l’´epaisseur de la barri`ere ou encore la densit´e d’impuret´es dans le semiconducteur.

— La temp´erature de la jonction

La temp´erature de la jonction d´epend des conditions d’utilisation du transistor et de l’´evacuation de la chaleur cr´e´ee par l’effet Joule. Une hausse de la temp´erature permet le gain d’´energie cin´etique des ´electrons par chocs in´elastiques successifs et favorise donc les conductions o`u intervient l’effet thermo¨ıonique. Cependant, une temp´erature croissante entraˆıne aussi des effets n´egatifs sur d’autres ´el´ements du transistor tant en performances ´electriques (ex : baisse de la mobilit´e dans le canal) qu’en fiabilit´e (ex : vieillissement acc´el´er´e). Pour ces raisons, utiliser le param`etre temp´erature pour favoriser le contact ohmique est donc une id´ee `a exclure.

Comme nous l’avons vu, diminuer la hauteur de la barri`ere de potentiel permet de favoriser la conduction par effet thermo¨ıonique. Dans le cas du GaN, la hauteur de barri`ere d´epend du travail de sortie du m´etal et donc du choix de celui-ci. Il faut donc choisir un m´etal dont le travail de sortie est faible devant celui du GaN (rappel : Φs= 5.8eV dans le cas du GaN NID). Le tableau1.1renseigne les

travaux de sorties de plusieurs m´etaux ´el´ementaires ainsi que de quelques nitrures m´etalliques. Plusieurs de ces m´etaux sont utilis´es dans les contacts ohmiques sur h´et´erostructure AlGaN/GaN [32,42,43].

Il apparaˆıt que de nombreux m´etaux sont favorables au contact sur GaN en raison de leur faible travail de sortie. Parmi eux, les m´etaux ´el´ementaires Al, Ti et Ta pr´esentent les plus faibles valeurs de travaux de sortie. Ces mat´eriaux pr´esentent aussi l’avantage d’ˆetre d´ej`a utilis´es dans l’industrie micro´electronique.

Toutefois, comme nous l’avons dit pr´ec´edemment, dans le cas de l’h´et´erostructure AlGaN/GaN, une barri`ere de potentiel demeure ind´ependamment de la nature du m´etal d´epos´e.

M´etal Travail de sortie (eV) R´ef´erence

Al 4.06-4.26 [44] Ti 4.33 [12,44] Ta 4.25 [12] V 4.3 [44] Mo 4.36-4.95 [44] Hf 3.9 [44] Zr 4.05 [44] Ni 5.15 [12] Au 5.10 [12] W 4.32-5.22 [44] TiN ≥3.74 [12] TaN ≥3.4 [45] ZrN, VN, NbN ≥4.00 [12]

Table 1.1: Tableau r´ecapitulatif des travaux de sortie de m´etaux ´el´ementaires et ni- trures m´etalliques [12,44,45]

— L’´epaisseur de la couche de AlGaN

L’´epaisseur de la barri`ere de AlGaN est un param`etre qui intervient dans les conductions utilisant l’effet tunnel, directe ou “hopping”. Plus l’´epaisseur est faible, plus la probabilit´e de conduction tunnel augmente. D’apr`es Singh et al., cette probabilit´e d´epend aussi de la barri`ere Schottky et elle devient non-n´egligeable dans une gamme d’´epaisseur de AlGaN de 3-5 nm environ [31]. Cependant, dans le cas d’une h´et´erostructure AlGaN/GaN, une telle diminution aurait aussi pour effet de faire disparaˆıtre le gaz bidimensionnel d’´electrons et donc le canal du

transistor. En effet, le 2DEG commence `a se constituer lorsque l’´epaisseur de la couche de AlGaN est d’environ 3-5 nm [19, 46]. Il existe donc un compromis `a trouver entre la r´ealisation d’un contact de faible r´esistance et l’augmentation de la r´esistance dans le canal. Le crit`ere final reste le comportement global du transistor et donc la diminution de la r´esistance totale de celui-ci `a l’´etat passant. Pour diminuer l’´epaisseur de la couche de AlGaN, plusieurs m´ethodes ont ´et´e d´evelopp´ees et nous les aborderons dans la suite de ce chapitre.

— Le dopage dans le semiconducteur

Dans le cas de contacts planaires, qui illustrent le mod`ele simple de la barri`ere de Schottky (cf. Fig.1.12), l’´epaisseur de la barri`ere de potentiel (soit la zone de d´epl´etion) d´epend du dopage dans le semiconducteur. Si le semiconducteur est fortement dop´e, la courbure plus importante des bandes entraine une zone de d´epl´etion moins ´epaisse, ce qui favorise les conductions par effet tunnel et thermo¨ıonique. Cette strat´egie intervient pour les contacts sur des mat´eriaux n-GaN ou p-GaN. Le cas du contact m´etal-h´et´erostructure est plus complexe puisque la barri`ere `a la conduction a aussi une dimension physique li´ee `a l’´epaisseur de la couche de AlGaN.

Dans un semiconducteur, le dopage est le plus souvent g´en´er´e par des d´efauts induits dans le cristal dont les niveaux d’´energie se trouvent dans la bande in- terdite. Dans le cas de notre barri`ere, ces niveaux d’´energies sont des candidats potentiels pour le m´ecanisme de “hopping”. Au del`a de toute consid´eration li´ee `a l’´epaisseur de la barri`ere de potentiel, l’augmentation du dopage peut donc avoir un effet positif sur la conduction tunnel assist´ee par les d´efauts. Dans notre cas, les porteurs de charges principaux sont les ´electrons. Nous allons donc consid´erer comme dopant favorable, tout d´efaut de type donneur, soit un dopage de type N. Les semiconducteurs GaN et Al_xGa_1−xN peuvent ˆetre dop´es de type N en rem- pla¸cant certains atomes de Ga du cristal par des atomes de Si ou de Ge. Ceci peut ˆetre r´ealis´e par une implantation `a haute ´energie et un recuit d’activation cons´ecutif ou par transmutation radioactive [47]. D’apr`es la litt´erature, un autre type de d´efaut agit comme un donneur d’´electron : la lacune d’azote [11–13]. La formation de lacunes d’azote dans AlGaN peut donc doper ce mat´eriau de type n.

Ainsi, la formation de lacunes d’azote fait partie de la strat´egie pour former un contact ohmique sur AlGaN/GaN. Plusieurs m´ethodes ont ´et´e d´evelopp´ees et pr´esent´ees dans la litt´erature dans ce but, notamment la r´eaction chimique avec un empilement m´etallique.

1.3.6 La strat´egie id´eale pour cr´eer un contact ohmique sur h´et´ero-