Conclusions du Chapitre III

Le troisième chapitre du manuscrit s’est construit autour de l’analyse spécifique de la grille Schottky des transistors à hétérojonction AlGaN/GaN, vierges et vieillis. Plusieurs méthodes de caractérisation électrique en température ont été étudiées, chacune présentant des points forts et des faiblesses quant à leur rapidité de mise en œuvre (et donc de leur exploitation) ou encore en ce qui concerne leur sens physique avéré ou pas (variation thermique des paramètres des modèles notamment). Néanmoins, il s’avère difficile d’accéder à tous les paramètres électriques de la diode Schottky de grille, variant en température, et en fonction de la polarisation, avec une seule méthode.

Dans cette approche, un outil d’exploitation original a été proposé par le LAAS, afin d’arriver à extraire précisément une hauteur la barrière moyenne, en chiffrant aussi la dispersion de la hauteur de la barrière attribuée à la présence d'inhomogénéités. Cette méthode est basée sur le modèle de Richardson modifié par les équations de Werner précédemment mis en œuvre au laboratoire [137] ; son principal inconvénient réside toutefois dans le temps nécessaire à son application. Cependant, nous avons démontré la pertinence de la méthode avec succès sur le lot Picowatt 36/37B, et nous considérons avoir trouvé des valeurs fiables pour la hauteur de barrière Schottky de grille (HBS).

Notre étude a révélé le fait que les transistors HEMT à base de GaN présentent des HBS inhomogènes à l'interface métal-semiconducteur. De plus, ces inhomogénéités ont des origines différentes (diffusion latérale de l’or, défauts, rugosités ou impuretés structurelles, lacunes, etc.). Avec une représentation originale et une extrapolation de la hauteur de barrière Schottky selon les variations liées aux défauts, nous arrivons à identifier si les résultats sont effectivement attribués à la diode Schottky, ou plutôt à une inhomogénéité. La hauteur de barrière idéale est systématiquement accessible sur les gammes de températures les plus élevées. Les défauts sont quant à eux potentiellement identifiables à température basse et à polarisation faible, lorsque la contribution du modèle thermoïonique est négligeable.

Deuxièmement, à partir des mesures et de la méthode de Werner appliquée sur le modèle de Richardson, nous avons proposé un retro calcul analytique afin d’élaborer un modèle complet sur le principe de commande des diodes Schottky de grille, en fonction de la polarisation et en température. En concordance avec la première étude, nous avons trouvé plusieurs contributeurs sur le courant total de grille : les mécanismes de conduction parasites attribués à des défauts se manifestent à faible tension de polarisation et à température basse. Ensuite, le modèle principal de conduction (modèle thermoïonique) prend le dessus, en masquant toutes les autres contributions.

Avec ces deux outils d’investigation, nous avons réussi à identifier plusieurs diodes qui participent à la conduction du courant de grille de la diode, des contributions parasites en

Chapitre III : Analyse et modélisation électrique du contact Schottky de grille

surface, ainsi que des chemins de collection variables vers la source. Ces mécanismes sont plus sensibles pour les dispositifs vieillis HTOL. Le processus de vieillissement a corrigé certains défauts de jeunesse de la diode principale (amélioration des paramètres de barrière), mais il a aussi provoqué l’apparition d’autres défauts latents, surtout à température basse (probable dilatation de la structure aux interfaces liées aux différences de coefficients thermiques d’expansion sous stress, qui peut créer des défauts structurels et/ou des sites de charges fixes). Enfin, ces résultats mettant en œuvre des charges fixes sont également validés par des déplacements de la tension d’inversion comme nous l’avons déjà discuté en début de chapitre.

Table des figures/tableaux

Figure III - 1 Représentation de la configuration expérimentale utilisée pour les caractérisations électrothermiques IGS-VGS : ... 139

Figure III - 2. Calcul de la fonction F(V) entre 80K (bleu foncé) et 400K (marron). ... 140 Figure III - 3. Application du modèle de Norde [152] sur S#2, un échantillon vieilli HTOL du

lot Picowatt 36/37B. a) Résultats sur l’extraction de la hauteur de barrière Schottky de grille,

φB ; b) Résultats sur l’extraction de la résistance série, RS. ... 141

Figure III - 4. Application du modèle de Tung [154] sur l’échantillon S#2 vieilli HTOL du lot

Picowatt 36/37B : résultats sur l’extraction de la température d’anomalie, T0. ... 143

Figure III - 5. Mesures IGS-VGS en température, avec un pas de 25 K pour : a) V#6 (échantillon

vierge) et b) S#2 (échantillon stressé). Gris clair est représenté en tant que la température la

plus basse, et noir, en tant que la température la plus élevée. ... 144 Figure III - 6. Représentation des paramètres de la méthode de Werner appliquée au modèle de Richardson telle que décrite en [137] : une valeur moyenne constante de la HBS, 𝜙𝐵, et un écart type associé (±𝜎𝑆), c'est-à-dire une expression mathématique pour les inhomogénéités de la HBS. ... 146

Figure III - 7. Extraction des HBS à chaque température (80 K - 400 K) pour : a) dispositif vierge V#6 et b) dispositif stressé HTOL S#2, sur une plage de courant de grille de deux décades,

entre 10-6 _{A et 10}-4 _{A. Les plages de température basse et haute sont délimitées. ... 148}

Figure III - 8. Variation des HBS, avec les inhomogénéités, à chaque fenêtre glissante x de deux décades d’IGS, dans les gammes de températures basses (en bleu), et élevées (en rouge),

pour : a) dispositif vierge V#6 (en ligne continue), et b) dispositif stressé HTOL S#2 (en ligne

pointillée). ... 149 Figure III - 9. Variations de 𝜙𝐵 par rapport à σS à plusieurs fenêtres glissantes x de deux

décades d'IGS, pour le composant S#2 (échantillon vieilli HTOL). Les carrés bleus représentent

les ensembles (𝜙𝐵𝑥, σSx) à des températures basses, et les cercles rouges, les ensembles

(𝜙𝐵𝑥, σSx) à des températures élevées. ... 150

Figure III - 10. Variations de 𝜙𝐵 par rapport à σS à plusieurs fenêtres glissantes x de deux

décades d'IGS, pour le composant V#6 (échantillon vierge). Les carrés bleus représentent les

ensembles (𝜙𝐵𝑥, σSx) à des températures basses, et les cercles rouges, les ensembles

(𝜙𝐵𝑥, σSx) à des températures élevées. ... 151

Figure III - 11. Variations de 𝜙𝐵 par rapport à σS à plusieurs fenêtres glissantes x de deux

décades d'IGS, pour : S#19 (échantillon vieilli HTOL). Les carrés bleus représentent les

ensembles (𝜙𝐵𝑥, σSx) à des températures basses, et les cercles rouges, les ensembles

(𝜙𝐵𝑥, σSx) à des températures élevées. ... 154

Figure III - 12. Lamelle TEM du pied de grille réalisée par SERMA : a) vue de coupe avant élimination de la grille, puis b) vues de dessus d’un doigt de grille, avec c) zoom sur les défauts. Identification des défauts (lacunes) sous la grille. ... 155

Chapitre III : Analyse et modélisation électrique du contact Schottky de grille

Figure III - 13. a) Maillage EDX réalisés par SERMA, confirmant la présence de l’Au à l'interface métallisation de grille en Ni/Pt, et la passivation à base de SiN (grille côté gauche). ... 156 Figure III - 14. Variations de 𝜙𝐵 par rapport à σS à plusieurs fenêtres glissantes x de deux

décades d'IGS, et à basse température pour : V#2 (échantillon vierge, en noir et en vert), V#6

(échantillon vierge, en bleu foncé), et S#19 (échantillon vieilli HTOL, en bleu clair). ... 157

Figure III - 15. Variations de 𝜙𝐵 par rapport à σS à température élevée, et plusieurs

gammes x de courant de grille, pour tous les dispositifs : V#i (échantillon témoin i, représenté

par des cercles), et S#j (échantillon stressé HTOL j, représenté par des carrés ou triangles).

... 157 Figure III - 16. Mesures IGS-VGS en température, avec un pas de 25 K pour E24 (échantillon

du lot Femtowatt_SPLIT LRE 43, avec protection BCB) : a) VGS entre -15 V et 2 V, b) VGS entre

0 V et 2 V. La température varie entre 80 K (température la plus basse, en bleu foncé) et 400 K (température la plus élevée, en marron foncé). Nota : utilisation d’un balayage VGS croissant,

temps d’intégration moyen (20 ms), avec Agilent 4156C. ... 158 Figure III - 17. Mesures IGS-VGS en température, avec un pas de 25 K pour C17 (échantillon

du lot Femtowatt_SPLIT LRE 43) : a) VGS entre -15 V et 2 V, b) VGS entre 0 V et 2 V. La

température varie entre 80 K (température la plus basse, en bleu foncé) et 400 K (température la plus élevée, en marron foncé). ... 160

Figure III - 18. Variations de 𝜙𝐵 par rapport à σS à plusieurs fenêtres glissantes x de deux

décades d'IGS, pour : a) E24 (échantillon du lot Femtowatt_SPLIT LRE 43, avec protection BCB),

et b) C17 (échantillon du lot Femtowatt_SPLIT LRE 43). Les carrés bleus représentent les ensembles (𝜙𝐵𝑥, σSx) à des températures basses, et les cercles rouges, les ensembles

(𝜙𝐵𝑥, σSx) à des températures élevées. ... 161

Figure III - 19. Variations de 𝜙𝐵 par rapport à σS à température basse (a, en bleu) et élevée

(b, en rouge), et sur plusieurs gammes x de courant de grille, pour tous les dispositifs

Femtowatt. Les échantillons de type C sont représentés en couleurs claires (bleu et rouge

claires), et les échantillons de type E, en couleurs foncés (bleu et rouge foncés). ... 163 Figure III - 20. E23 : IGS-VGS en fonction de température : de 80 K (bleu foncé), à 400 K

(marron). Le tracé noir représente le plancher en courant de l’appareil de mesure (Agilent 4156C). ... 164

Figure III - 21. IGS - VGS en connexion diode, avant (le tracé bleu) et après (le tracé rouge)

passage en température pour : ... 165 Figure III - 22. Images STEM-HAADF (coupe FIB) : a) au bord de la grille (entre grille et source), et b) sous la grille. [116] ... 166

Figure III - 23. a) IGS-VGS en fonction de température : 100 K (bleu foncé), 225 K (bleu clair),

275 K (orange), et 400 K (rouge). b) Zoom sur la Figure III - 23a, entre -4 V et 1,5 V. ... 167 Figure III - 24. a) IGS-VGS en fonction de température, et en polarisation directe : de 100 K

(bleu foncé), à 400 K (marron). b) Modélisation de la mesure IGS-VGS à 100 K (tracé noir) avec

trois contributeurs de courant : modèle high (en vert), modèle medium (en bleu), et modèle