Dopage au fluor dans les barrières en AlGa et en super-réseau Al /Ga

Les structures HEMT AlGaN/GaN ne cessent pas d’évoluer. Comme nous avons vu dans la partie II.5, le remplacement de la barrière en AlGaN par une barrière en super-réseaux AlN/GaN permet de réduire les désordres d’alliage, d’augmenter le taux d’aluminium, et le confinement du gaz 2D et, par conséquent d’augmenter la densité et la mobilité du gaz 2D. De plus, selon les résultats expérimentaux présentés dans la partie

II.11, la barrière en super-réseaux AlN/GaN est plus isolante que celle en AlGaN. Elle est

donc particulièrement intéressante pour réaliser les HEMTs à très forte tension de claquage. A notre connaissance, il n’y a pas, à ce jour, d’étude de l’effet du plasma fluoré dans les HEMTs AlGaN/GaN dont la barrière est en super-réseaux AlN/GaN. Vu l’intérêt de cette barrière pour la performance des transistors à haute tension de claquage et l’intérêt de la technique de réalisation des HEMTs “normally off” par le plasma fluoré, il nous est paru intéressant d’étudier la possibilité de réaliser par un procédé à base de plasma fluoré, des HEMTs “normally off” dont la barrière est en super-réseaux AlN/GaN.

Afin de comparer l’effet du plasma fluoré dans une barrière en super-réseaux AlN/GaN avec celui dans une barrière en AlGaN connu dans la littérature, nous réalisons en parallèle deux échantillons L1300.3 et L846.3. La barrière de la structure L1300 est en super-réseaux AlN/GaN, la barrière de la structure L846 est en AlGaN (voir II.5 pour plus de détails sur ces deux structures). Ces échantillons ont subi un traitement plasma fluoré SF₆ (30mTor, 10W, 150s) dans un réacteur RIE juste avant le dépôt de la grille (i.e. juste avant l’étape numéro 12 du process de fabrication, voir annexe B). Mise à part ce traitement, les autres étapes de fabrication sont identiques à celles des échantillons L1300.4 et L846.4 (ces échantillons sont présentés dans les parties II.10 et II.9 respectivement). Ainsi, les échantillons L1300.4 et L846.4 servent dans cette étude de référence pour les échantillons L1300.3 et L846.3. Ces échantillons sont résumés dans le Tableau IV-1.

Plasma SF₆ 10sccm,

30mTor, 30W, 150s ^{Process standard}

L1300

Barrière en super-réseaux AlN/GaN ^{L1300.3 L1300.4}

L846

Barrière en alliage Al_0.255GaN ^{L846.3 L846.4}

Tableau IV-1 : Echantillons de l’étude de l’effet du dopage au fluor par plasma fluoré dans deux types de barrière : super-réseaux Al;/Ga; et AlGa;.

IV.2.1. Les mesures électriques

Les courbes caractéristiques I_ds en fonction de V_gs des transistors avec (courbes vertes) et sans (courbes rouges) traitement dans un plasma fluoré des deux structures HEMTs L846 (barrière en AlGaN) et L1300 (barrière en super-réseaux AlN/GaN) sont présentées dans la Figure IV-2.

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a) b)

Figure IV-2 : Courbes caractéristiques des HEMTs avec (courbes vertes) et sans (courbes rouges) traitement plasma fluorine de deux structures HEMTs L846 (barrière en AlGa;), L1300

(barrière en super-réseaux Al;/Ga;)

La Figure IV-2 montre que le plasma fluoré a les effets inverses sur la tension de pincement suivant le type de barrière de la structure. En effet on observe un décalage de plus de 1V vers les tensions positives dans le cas de la barrière en alliage AlGaN tandis qu’un décalage plus faible (0.3V) vers les tensions négatives est observé dans le cas d’une barrière en super-réseau AlN/GaN.

Comme nous avons vu dans la partie IV.1, une réduction des courants de fuite de grille a été rapportée dans la littérature. Cependant, les courants de fuite de nos échantillons n’ont pas été modifiés par le plasma fluoré. Ceci peut être expliqué par une implantation superficielle (Figure IV-3) et à trop faible dose de fluor par notre procédé plasma (voir confirmation paragraphe IV.2.4). Cette implantation ne rendrait pas la barrière effective du contact Schottky assez haute et assez épaisse (Figure IV-4b,d) pour réduire significativement les courants de fuite de la grille.

La Figure IV-2 montre aussi une diminution des courants de saturation par le plasma dans les deux types de barrière. Cette diminution est due à la diminution de la mobilité du gaz 2D d'électrons due aux défauts générés par le plasma (voir IV.1).

Le petit décalage vers les tensions négatives de la tension de pincement par le plasma fluorine dans le cas de la barrière en super-réseaux AlN/GaN par rapport à un grand décalage vers le positif dans le cas de la barrière en AlGaN nous pose la question :“Y-a-t’il une incorporation des ions fluor dans la barrière en super-réseaux AlN/GaN ?” Pour répondre à cette question, nous avons réalisé les mesures SIMS.

IV.2.2. Les mesures SIMS

Les échantillons préparés pour les mesures SIMS de chaque structure ont subi un traitement par le plasma fluoré dans les mêmes conditions que celui appliqué aux échantillons L1300.3 et L846.3. Les profils SIMS (mesures faites par François Jomard au GEMaC) de fluor sont présentés dans la Figure IV-3.

La Figure IV-3 confirme l’incorporation des ions fluor dans la barrière en super-réseaux AlN/GaN avec un profil comparable à celui dans la barrière en AlGaN.

L’incorporation des ions fluor dans les deux types de barrière est très superficielle. En effet les profils SIMS montrent une différence de presque deux ordres de grandeur sur la densité d'ions fluor en surface et à 5nm de profondeur ; et de nouveau deux ordres de grandeur entre la densité à 5nm de profondeur et celle au niveau du canal.

Figure IV-3 : Profils de fluor des échantillons avec et sans traitement plasma fluoré des deux structures L846 (barrière en AlGa;) et L1300 (barrière en super-réseaux Al;/Ga;).

IV.2.3. Les mesures effet Hall

Sur la base des caractéristiques électriques (Figure IV-2), des mesures SIMS (Figure IV-3) et des analyses dans le travail de Anderson et al [16] (les F_i agissent comme des accepteurs peu profonds et les FN agissent comme les donneurs), nous supposons que les ions fluor agissent comme des accepteurs dans la barrière en AlGaN et comme des donneurs dans la barrière en super-réseaux AlN/GaN. Pour renforcer notre hypothèse, nous avons réalisé des mesures d’effet Hall sur les quatre échantillons L1300.3 L1300.4, L846.3

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et L846.4. La densité et la mobilité du gaz 2D d’électrons, extraites de ces mesures, sont résumées dans le Tableau IV-2 ci-dessous.

Echantillons n_s cm^-2 µ (cm2 /Vs) L846.4 7,8.10¹² 1500 L846.3 (avec plasma SF6) 4,8.10¹² 1000 L1300.4 6,9.10¹² 1800 L1300.3 (avec plasma SF6) 9,1.10¹² 1350

Tableau IV-2 : Densité et mobilité du gaz 2D d’électrons extraites des mesures d’effet Hall sur les échantillons L846.3, L846.4, L1300.3 et L1300.4.

Les résultats des mesures effet Hall sont en accord avec notre hypothèse. Après le traitement plasma, la densité du gaz 2D d’électrons diminue de 38% dans le cas de la barrière en AlGaN et augmente de 32% dans le cas de la barrière en super-réseaux AlN/GaN. Une légère diminution de la mobilité est observée dans les deux structures.

IV.2.4. Les simulations

L’influence du dopage au fluor sur les bandes de conduction des deux structures HEMTs a été simulée en utilisant le programme 1D Poisson de la littérature [17].

Dans cette simulation, la hauteur de la barrière Schottky est de 1eV [18]. La polarisation dans les barrières est ajustée pour que les densités du gaz 2D d’électrons n_s simulées soient cohérentes avec les n_s mesurées. Dans la barrière en AlGaN, elle est de 2,94.10^-6C.cm^-2. Dans la barrière en super-réseau AlN/GaN, elle est de 5,4.10^-6C.cm^-2 dans AlN et de 1,9.10^-6C.cm^-2 dans GaN.

Le profil du dopage de type p au fluor introduit dans la simulation de L846.3 est celui du profil SIMS (Figure IV-4a). Un fit du profil SIMS a permis d'extraire le comportement décroissant laissant libre la densité de fluor à la surface (les mesures SIMS n'ont pas été calibrées). Avec ce profil, une densité des ions F^- à la surface de 8,5.10¹⁸cm^-3 est suffisante pour réduire n_s de 38% (Figure IV-4b) en accord avec les déterminations expérimentales.

Dans le cas de la barrière en super-réseau, l’introduction du profil de dopage extrait du profil SIMS dans la simulation se fait par la définition d'un niveau de dopage pour chaque couche du super-réseau (contrainte du logiciel). On obtient ainsi un profil en marches proche de celui mesuré au SIMS. Ce dopage donne des résultats anormaux car il nécessite une densité de fluor très élevées pour atteindre l’augmentation de 32% observée

expérimentalement sur n_s. Cet anomalie a aussi été observée sur la simulation de L846.3 si la barrière est découpée en couches de 1 à 3nm. Pour contourner ce bug du logiciel, le profil du dopage de type n de L1300.3 a été supposé gaussien avec son maximum à la surface (x = 0) ; sa largeur à mi-hauteur fixée à 1nm ; et sa dose totale de 3,2.10¹⁹cm^-3 (Figure IV-4c). Avec ce profil, la densité d’ions fluor à la surface est de 1,3.10¹⁹cm^-3. Cette densité est 1,5 fois plus élevée que celle de L846.3. Compte tenu de la différence entre le profil SIMS et le profil de simulation de L1300.3, nous supposons que l’incorporation des ions fluor dans cette barrière est comparable à celle de la structure L846. Les codes de la simulation se trouvent en annexe F.

a) b)

c) d)

Figure IV-4 : Les profils de SIMS et de la simulation ;les diagrammes d’énergie des bandes de conduction et la distribution du 2DEG simulées des quatre échantillons L846.3, L846.4,

L1300.3 et L1300.4.

Les résultats de simulation (Figure IV-4b) montrent que la courbure de bande due au dopage fluor dans la barrière de L846.3 reste très modérée. Contrairement aux résultats de Y. Cai et al. [3], la barrière n'est ni plus haute ni plus épaisse, ce qui explique l'absence

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d'une réduction significative des courants de grille mesurés sur L846.3 (avec dopage au fluor) par rapport à ceux de L846.4 (sans dopage au fluor) (Figure IV-2a).

Malgré une densité de fluor en surface plus élevée dans la structure L1300 que dans L848 (1,3x10¹⁹ au lieu de 8,5x10¹⁸ cm^-3), on observe également un faible effet de courbure de bande dans L1300, trop faible pour diminuer de façon notable les courants de grille.