c. Réduction des effets de pièges de surface

Une grande avancée dans la réduction des effets de pièges a été marquée par l’ajout d’une couche de passivation sur la surface de la structure des HEMTs. En effet, après dépôt de

diélectrique d’Alumine (Al2O3), de Nitrure de Silicium (Si3N4,) ou de Dioxyde de Silicium

(SiO2) pour les plus courantes, les performances des transistors sont améliorées [21]. Cette

passivation, en jouant sur la nature de la surface, permet de stabiliser la densité de piège dans cette zone en neutralisant les liaisons pendantes, ce qui évite la création de nouveaux centres. En diminuant les charges piégées à la surface, la passivation contribue à diminuer le courant de fuite de grille et augmente également la valeur de la tension de claquage.

Cependant, comme souvent, des compromis doivent être réalisés. Par exemple, l’épaisseur de la passivation devra être judicieusement ajustée afin d’isoler la surface du semi-conducteur de l’environnement extérieur au détriment des valeurs des capacités grille-drain et grille-source, diminuant alors les performances en fréquence des transistors.

Comme il sera détaillé au chapitre suivant, il est possible d’évaluer l’impact des effets des pièges via des mesures de courant-tension (I-V) à différents points de repos pour les

alimentations de drain VDS et de grille VGS pulsées: une mesure à « froid » (VGS0 = 0V ; VDS0 =

0V), une mesure à « froid » et avec un canal d’électron pincé (VGS0 < Vp ; VDS = 0V), une

mesure à « chaud » et avec un canal d’électron pincé (VGS0 < Vp ; VDS0 >> 0V). Les Figure I.14,

I.15 et I.16 illustrent l’apport de la passivation en comparant les caractéristiques de sortie des transistors avant et après passivation pour les trois points de polarisations de repos des impulsions énumérés ci-dessus.

Figure I.14 : Réseaux I-V avant et après passivation pour une polarisation de repos à « froid » (VGS = 0V ; VDS = 0V) effectués sur un HEMT InAlN/GaN de deux doigts de 100µm

de large.

Figure I.15 : Réseaux I-V avant et après passivation pour une polarisation de repos à « froid » (VGS = -5V ; VDS = 0V) effectués sur un HEMT InAlN/GaN de deux doigts de 100µm

Figure I.16 : Réseaux I-V avant et après passivation pour une polarisation de repos à « froid » (VGS = -5V ; VDS = 25V) effectués sur un HEMT InAlN/GaN de deux doigts de 100µm

de large.

Au regard de ces trois figures et surtout vis-à-vis de la dernière, il est indéniable que la passivation améliore les performances du transistor. Le courant est bien plus important après

application d’une couche de passivation et celui-ci est bien moins sensible à la tension VDS

appliquée : le courant est 10 fois plus important après passivation lorsque le point de repos de l’impulsion de tension de drain VDS est à 25V.

V Etat de l’art des HEMTs en GaN en bande Ka

Le GIE III-V Lab, en suivant l’évolution du marché des communications haute fréquence, a orienté sa recherche vers la montée en fréquence afin de réaliser des transistors capables de fonctionner autour de la bande Ka (27GHz-40GHz). La montée en fréquence nécessitant une diminution de la longueur de grille, les transistors sont désormais optimisés pour fonctionner avec une longueur de grille Lg = 0,15µm. La diminution de ce paramètre critique n’est pas triviale et l’ensemble du process de fabrication du transistor doit être optimisé. Pour comparer les performances des transistors du III-V Lab et les situer parmi les autres travaux référencés dans la littérature, le Tableau I.6 dresse l’état de l’art des HEMTs à base de GaN opérant autour de la bande Ka, depuis 2005.

Tableau I.6 : Etat de l'art des HEMTs à base de GaN pour des fréquences situées autour de la bande Ka

Ref Technologie ^Pout

(dBm) Densité de puissance (W/mm) Gain lin. (dB) PAE (%) Fréquence (GHz) fT (GHz) Gm max (mS/mm) VDS (V) Lg (nm) Wg (µm) ^Année [22] AlGaN/AlN/GaN/Si 24 2,7 6,5 12,5 40 116 350 25 75 2x50 2015 [23] InAlN/AlN/GaN/SiC 26 4 11 40 30 55 450 17,5 150 2x50 2015 * AlGaN/AlN/GaN/SiC 29 3,5 12 35 30 50 350 20 150 6x50 2014 [24] GaN/InAlN/AlN/GaN/SiC 28 5,85 6 15 40 50 530 35 200 90 2013 [25] AlGaN/AlN/GaN/Si 23 3,3 10,6 20,1 40 81 476 15 60 2x30 2013 [26] AlGaN /GaN/SiC 31,6 3 12 34 35 80 550 15 100 8x60 2013 [27] AlN/GaN/AlGaN/Si 21 2,5 9 18 40 80 550 15 100 2x25 2012 [28] AlGaN /GaN/Si ? 2 4 13,8 40 60 540 20 200 ? 2012 [29] AlGaN/GaN/SiC 31,3 3,4 10 47 30 20 150 8x50 2012 * InAlN/AlN/GaN/SiC 25,75 2,5 8 25 30 40 400 20 150 2x75 2012 [30] AlGaN/AlN/GaN/AlGaN ^{4,5 7 28 34 45 300 24 250 2x100} 2012 3,1 <5 26,3 34 80 300 20 150 2x50 [31] AlGaN/GaN/SiC 42,7 2,8 7,1 21,9 31 34 400 24 150 16x8x50 2011 [32] AlGaN/GaN/SiC 43 3,6 6,7 13,3 26 400 24 150 16x8x50 2010 [33] InAlN/AlN/GaN/SiC 33 5,8 6,6 43 35 79 355 20 160 4x85 2010 [34] AlGaN/GaN/SiC ^{31,8 10 11,3 40 30 55 425 42 140 2x75} 2008 28,1 4,3 8,6 52 30 55 425 20 140 2x75 [35] AlGaN/GaN/SiC 29,5 4,5 6,7 51 35 46 501 20 250 4x50 2007 [36] AlGaN/GaN/SiC 32 10,5 9 28 30 70 450 30 160 2x75 2005 [37] AlGaN/AlN/GaN/SiC 38 8 8,5 31 30 58 28 170 1500 2005 [38] GaN/AlGaN/GaN/AlGaN/SiC 31,5 7 10 40 30 50 350 29 150 4x50 2005 [39] AlGaN/GaN/SiC 29,3 5,7 8,3 45 30 60 550 20 200 2x75 2005

La première conclusion qui ressort de l’étude de ce tableau est qu’il n’existe que très peu de travaux sur des transistors utilisant une barrière en InAlN. Hormis les résultats du III-V Lab, nous n’avons répertorié que les travaux de l’équipe d’A. Crespo du AFRL, datés de 2010 [33] ainsi que ceux de l’université de Lausanne datés de 2013 [24].

Même si la plupart des résultats pour cette gamme de fréquences reposent donc sur des architectures de HEMTs avec une barrière en AlGaN, les performances des transistors avec une barrière en InAlN sont tout à fait honorables et se situent naturellement dans cet état de l’art. Les densités de puissance avoisinent 3W/mm à 4W/mm pour des tensions de drain d’environ 20V et des PAE associées de 15% à 25%. On notera toutefois des records de puissance allant jusqu’à 10W/mm pour des tensions de drain appliquées de 30V [35] et 42V [34] ainsi que des

PAEMax atteignant 40% à 50% pour certaines publications [33], [34].

Nous remarquerons également la généralisation de l’utilisation de substrats en SiC permettant d’obtenir les meilleurs résultats même si quelques travaux sur des substrats Silicium se placent dans cet état de l’art. D’ailleurs, les résultats sur Si essentiellement issus des équipes de recherche du laboratoire IEMN, sont orientés vers des fréquences de fonctionnement en haut de la bande Ka, vers 40GHz quand la plupart des autres résultats de cet état de l’art se situent autour de 30GHz.

Dans les années les plus récentes, la tendance semble être d’ajouter systématiquement une couche d’AlN, même si les structures standards en AlGaN/GaN/SiC sont les plus représentées ici.

VIConclusion

Dans ce chapitre, nous nous sommes attachés à démontrer les avantages des structures HEMTs à base de GaN pour des applications de puissances hyperfréquence. En effet, de par leurs caractéristiques, ces transistors seront robustes en termes de tenue en compression, en désadaptation, en fonctionnement à hautes températures et/ou en environnements agressifs.

L’état de l’art présenté à la fin de ce chapitre permet d’affirmer que les composants HEMTs à base de GaN peuvent fournir de fortes puissances de sortie à des fréquences de plusieurs GHz et plus particulièrement en bande Ka. Or, cette gamme de fréquence est stratégique pour les applications de télécommunication spatiale.

D’autre part, les HEMTs réalisés à partir d’une hétérostructure InAlN/GaN, devant permettre de réduire les pertes de puissances dues aux effets de pièges créés par les contraintes cristallographiques, se placent aujourd’hui au même niveau que les HEMTs avec une barrière en AlGaN dans l’état de l’art. De plus, les récents résultats observés sur les HEMTs à barrière en InAlN, notamment sur la densité de puissance de sortie, laissent espérer de nouveaux records.

Les challenges sont désormais tournés vers l’amélioration de la robustesse de ces composants, ce qui passera entre autre par des études sur les effets de pièges, qui restent aujourd’hui un des principaux freins au développement de ces filières. Dans cette optique, nous avons mis en place durant ces travaux de thèse une méthode d’extraction des caractéristiques des défauts responsables des effets de piégeage et de dépiégegage. Cette méthode, basée sur la mesure de paramètres [S] à basse fréquence, peut être directement appliquée aux HEMTs et fait l’objet du deuxième chapitre de ce manuscrit.