Comme nous l’avons mentionné précédemment, les défauts présents dans la structure d’un HEMT sont une source majeure de l’effondrement du courant de sortie et de la limitation des performances en puissance et en fréquence de ces transistors. Ainsi, le contrôle de ces pièges, activés électriquement ou thermiquement, est important pour la fiabilité des composants surtout pour des applications qui nécessitent un fonctionnement à haute tension et à haute température. A ce jour, beaucoup d’efforts ont été faits pour améliorer les performances par la suppression de la dispersion en courant et les dégradations induites par les stress électriques et thermiques. Dans ce contexte, plusieurs travaux ont étudié l’origine, la localisation et la densité des pièges.
Les travaux qui ont étudié les états de surface dans les HEMTs à base de GaN ont montré que ces pièges peuvent avoir pour origine des dislocations dans la couche barrière, des lacunes d’azote (VN) ou des impuretés d’oxygène qui agissent comme des nivaux donneurs. Les dislocations sont souvent considérées comme des états chargés négativement [54, 55] ou positivement [56]. Leur comportent électrique dépend des conditions de la croissance et peuvent être à l’origine du courant de fuite excessif dans les structures. Les centres V
impuretés dues à l’oxygène ont été aussi présentés comme responsables du courant de fuite de grille [57, 58].
Parmi plusieurs techniques évoquées pour s’affranchir de l’activation des états de surface, nous mentionnons la passivation de la surface par une couche de diélectrique tel que le SiNx ou l’Al2O3. La couche de passivation empêche le chargement des états à la surface et réduit le mécanisme de piégeage [59, 60, 61]. L’augmentation du courant de drain après la passivation indique que la densité du gaz 2D augmente à son tour. Certains auteurs ont attribué cet effet à l’augmentation de la densité de charges positives à l’interface diélectrique/AlGaN par l’ajout d’une densité de donneurs supplémentaires. D’autres expliquent cet effet par la formation d’une barrière qui empêche les porteurs injectés par la grille d’atteindre les pièges [59, 62, 61, 63, 64]. La couche de passivation réduit aussi le champ électrique à proximité de la grille, ce qui minimise l’injection des porteurs de la grille vers la surface de la barrière [37]. La suppression de ce pic de champ électrique, généralement localisé dans la zone grille-drain, peut être obtenue par la technique des plaques de champ (field-plate) qui empêche le piégeage des électrons et augmente la tension de claquage du composant. L’inconvénient de cette technique est qu’elle ajoute une capacité supplémentaire entre la grille et le drain ce qui diminue le gain du transistor [65, 66].
Malgré les améliorations apportées par la passivation de la surface, cette technique ne semble pas être une solution finale pour atteindre les performances attendues de ces composants. La dégradation de cette couche de passivation au cours du fonctionnement du transistor ou un mauvais traitement de la surface avant son dépôt peut entrainer des conséquences dramatiques sur les performances [67].
L’insertion d’une fine couche d’AlN entre la barrière et la couche tampon de GaN est une solution pour augmenter les performances des composants. Cette couche réduit le désordre d’alliage à l’hétérointerface et empêche la diffusion des électrons du canal vers la barrière, ce qui entraine l’amélioration de la mobilité des porteurs [68].
Avec l’ajout d’un recuit supplémentaire en fin de procédé de fabrication (10 mn à 400°C), Lee et al. [69] ont montré une nette amélioration du courant IDS ainsi qu’une baisse du courant de fuite. Cette technique semble diminuer la densité des pièges électriquement actifs à la surface.
La plupart des solutions proposées précédemment semblent être efficaces mais ne sont pas bon marché dans la mesure où les composants sont fabriqués sur substrat de SiC. Aujourd’hui, la demande en masse pour l’industrialisation des transistors HEMTs nécessite une réduction du coût de production et l’alternative a été trouvée dans le substrat de silicium. Malheureusement le grand désaccord de maille avec le GaN semble être un handicap pour investir dans cette filière du moment où la croissance directe sur ce substrat génère une grande densité de dislocations et parfois des « cracks » de la couche tampon lorsque cette dernière est relativement épaisse. Récemment, Dadgar et al. [70] ont montré que l’insertion de multicouches d’AlN lors de la croissance de la couche tampon de GaN sur substrat de silicium (111) diminue la contrainte de tension entre les deux matériaux. Cette technique s’avère efficace pour diminuer la densité de dislocations dans le GaN et multiplier le champ de claquage du composant par deux.
V) Objectifs de ce travail
Comme nous l’avons évoqué dans le paragraphe précédent, le mécanisme de piégeage des porteurs par certains défauts dans la structure conduit à des dégradations de performances des composants.
Durant ce travail, la méthodologie utilisée pour analyser les mécanismes de dysfonctionnement dans les transistors HEMTs sera basée sur : (i) des caractérisations I(V) et C(V) en régime statique pour extraire les effets parasites dans les caractéristiques de sortie (ii) l’identification et la localisation des mécanismes physiques susceptibles d’être liés à ces effets (iii) une analyse détaillée des caractéristiques électriques afin d’évaluer les niveaux de dégradation de certaines zones du composant après des tests de vieillissements accélérés.
La figure I.9 résume les zones de faiblesses illustrées dans la littérature et étant susceptibles d’être à l’origine des limitations de performances des HEMTs à base de GaN.
Les pièges localisés à l’interface SiN/barrière ou directement sous la grille forment un réservoir de charges pour les électrons injectés par le contact Schottky. Le deuxième mécanisme généré lors du fonctionnement du composant est produit dans la zone d’accès grille-drain. En effet, sous la polarisation VDS, les électrons chauds du canal diffusent dans la couche de GaN ou dans la couche barrière et se trouvent piégés par les centres de recombinaison dans ces couches. Ces défauts peuvent être de type cristallographique, ou bien des impuretés, des complexes et des dislocations dans les couches ou à l’hétérointerface. Ces mêmes centres participent aussi au piégeage des porteurs véhiculés par la composante longitudinale du champ électrique sous la grille.
L’étude menée au cours de ce travail pourra nous donner une réponse sur la présence ou non de certains de ces mécanismes dans les structures étudiées.