Etude du pi´ ´ egeage en fonction de l’empilement AlGaN/GaN

Figure 2.11 – D´etail du lot ´etudi´e

Le but de ce paragraphe est d’identifier les param`etres de l’´epitaxie ayant un lien avec le pi´egeage. Pour cela, une ´etude du ∆(Rsh) en fonction de l’empilement AlGaN/GaN a ´et´e men´ee. Un lot AlGaN/GaN sur Si ´epitaxi´e au CEA a ´et´e caract´eris´e en d´etail. Les diff´erentes variantes de l’´epitaxie AlGaN/GaN sont pr´esent´ees sur la figure 2.11. Nous avons s´epar´e ce lot en trois parties : variations de l’´epaisseur de la couche d’AlN se trouvant entre l’AlGaN et le GaN, variations de l’´epaisseur d’AlGaN et enfin variations de la concentration d’Al de la

Mesures pr´eliminaires : ´etude de structures lithographi´ees sans grille

couche d’AlGaN. Pour chaque plaque, une cartographie de 6 structures a ´et´e effectu´ee. Rsh sous ´

eclairement a ´et´e mesur´e et l’´evolution de Rsh (∆(Rsh)) dans l’obscurit´e a ´et´e ´etudi´ee durant 900 secondes.

Dans cette section et pour chaque param`etre ´etudi´e, on rendra compte des r´esultats obtenus `

a travers trois figures. Sur la premi`ere figure, on a repr´esent´e l’´evolution de ∆(Rsh) durant 900 secondes. La seconde figure repr´esente les valeurs moyennes de ∆(Rsh) et Rsh dans l’obscurit´e ou sous ´eclairement. Enfin, la troisi`eme figure repr´esente les dispersions de ∆(Rsh) et Rsh dans l’obscurit´e ou sous ´eclairement.

2.2.6.1 Influence de l’´epaisseur d’AlN

Afin d’´etudier l’influence de l’´epaisseur d’AlN, on a fait varier celle-ci entre 0 et 2nm. Le rˆole de l’AlN dans l’empilement AlGaN/GaN a ´et´e d´etaill´e au chapitre 1. Cette couche est plac´ee `

a l’interface entre le GaN et l’AlGaN. Elle est utilis´ee pour am´eliorer les performances des transistors, notamment la mobilit´e [4] [5] [6]. Plusieurs travaux dans la litt´erature ont propos´e une ´epaisseur optimale d’AlN de 1nm [6] [5] [4].

Figure 2.12 – Repr´esentation de ∆(Rsh) pour diff´erentes ´epaisseurs d’AlN

La figure 2.12 pr´esente ∆(Rsh) pour diff´erentes ´epaisseurs d’AlN. Pour une ´epaisseur de 0 ou 2nm d’AlN, une valeur de ∆(Rsh) faible et ´equivalente est mesur´ee. Pour une ´epaisseur de 0,5 et 1nm, on observe une valeur de ∆(Rsh) plus ´elev´ee. Concernant la dispersion, celle-ci est faible et ´equivalente pour 0 ou 2nm d’AlN, tr`es ´elev´ee pour 0,5nm d’AlN et ´elev´ee pour 1nm d’AlN.

Sur la figure 2.13a, on observe en coh´erence avec la litt´erature [6] une diminution du Rsh moyen avec ou sans illumination pour des ´epaisseurs d’AlN allant de 0 `a 1nm puis une l´eg`ere augmentation pour 2nm. Aucune corr´elation n’est observ´ee entre Rshet ∆(Rsh). En effet, si l’on compare 0 et 2nm d’AlN, on observe une valeur de ∆(Rsh) identique alors que Rshest quasiment divis´e par deux lorsque l’on passe de 0 `a 2nm d’AlN. Pour des ´epaisseurs interm´ediaires d’AlN (0,5 et 1nm), ∆(Rsh) ainsi que sa dispersion (Fig. 2.13b) augmentent de mani`ere importante.

Mesures pr´eliminaires : ´etude de structures lithographi´ees sans grille

(a) Valeur moyenne de ∆(Rsh) et de Rshavec

ou sans lumi`ere en fonction de l’´epaisseur d’AlN

(b) Dispersion de ∆(Rsh) et de Rsh avec ou

sans lumi`ere en fonction de l’´epaisseur d’AlN

Figure 2.13 – Valeur moyenne et dispersion pour ∆(Rsh) et Rsh avec ou sans lumi`ere Ainsi donc, alors qu’une couche d’AlN ´epaisse ne semble pas affecter ∆(Rsh), on observe pour des ´epaisseurs interm´ediaires une augmentation significative du nombre de pi`eges ainsi que de la dispersion entre deux puces. Lee et al ont montr´e que l’ajout d’une couche d’AlN, en constituant une barri`ere de potentiel pour les ´electrons souhaitant passer dans l’AlGaN, permet de diminuer le pi´egeage dans l’AlGaN [7]. Dans leurs travaux, les effets de diminution du pi´egeage sont observ´es en comparant un ´epaisseur d’AlN de 0 et 1nm. Sun et al ont ´etudi´e les dislocations et la relaxation de la couche d’AlGaN pour des ´epaisseurs d’AlN de 0, 9, 18, 26 et 40nm [8]. Bien que les ´epaisseurs ´etudi´ees soient sup´erieures aux nˆotres, ils ont montr´e que l’augmentation de l’´epaisseur de la couche d’AlN `a l’interface entre l’AlGaN et le GaN permet d’am´eliorer la relaxation de la couche d’AlGaN et de diminuer les dislocations de celle-ci. D’apr`es ces r´esultats et si le ph´enom`ene de pi´egeage est caus´e par la couche d’AlGaN, l’augmentation de l’´epaisseur d’AlN devrait donc diminuer ce pi´egeage. Or, les analyses effectu´ees ici montrent une augmentation du pi´egeage pour les ´epaisseurs de 0,5 et 1nm d’AlN, associ´e `a une augmentation de la dispersion. ´Etant donn´e les faibles ´epaisseurs d’AlN d´epos´ees, il est envisageable que l’epitaxie de celle-ci soit moins bien contrˆol´ee entre 0 et 2nm, ce qui engendre l’augmentation du pi´egeage observ´ee pour 0,5 et 1nm d’AlN.

2.2.6.2 Influence de l’´epaisseur d’AlGaN

D’apr`es les travaux d’Ibbetson [9], de Gordon [10] ou de Koley et Spencer [11], le gaz 2D se forme `a partir d’une ´epaisseur d’AlGaN de 3-5nm. L’influence de cette ´epaisseur sur la densit´e de porteurs du gaz 2D suit ensuite une courbe croissante, avec une stabilisation du gaz 2D pour des ´epaisseurs de l’ordre de 10nm. Des mesures similaires sont donc attendues pour des ´

epaisseurs d’AlGaN de 10, 17 et 24nm.

La figure 2.14 repr´esente l’´evolution de ∆(Rsh) pour diff´erentes ´epaisseurs d’AlGaN. On observe une importante diminution de ∆(Rsh) avec la diminution de l’´epaisseur d’AlGaN. Pour 24 nm d’AlGaN, ∆(Rsh) est maximale et ´egale `a environ 10% de la valeur obtenue sous illumi- nation. En revanche, pour 10nm d’AlGaN, ∆(Rsh) repr´esente moins de 2% de la valeur obtenue sous illumination. Concernant la dispersion, on voit que celle-ci est associ´ee `a l’´epaisseur d’Al- GaN. Pour 10nm d’AlGaN, une faible dispersion est observ´ee. En revanche pour 24nm d’AlGaN,

Mesures pr´eliminaires : ´etude de structures lithographi´ees sans grille une dispersion de 10% est visible.

Figure 2.14 – Repr´esentation de ∆(Rsh) pour diff´erentes ´epaisseurs d’AlGaN

(a) Valeur moyenne de ∆(Rsh) et de Rshavec

ou sans lumi`ere en fonction de l’´epaisseur d’Al- GaN

(b) Dispersion de ∆(Rsh) et de Rsh avec ou

sans lumi`ere et en fonction de l’´epaisseur d’Al- GaN

Figure 2.15 – Valeur moyenne et dispersion pour ∆(Rsh) et Rsh avec ou sans lumi`ere

La figure 2.15a montre une d´ependance lin´eaire du ∆(Rsh) en fonction de l’´epaisseur d’Al- GaN. Ceci est associ´e `a une augmentation importante de la dispersion sur ∆(Rsh) entre 17 et 24nm (Fig. 2.15b). De plus, on voit que l’augmentation de ∆(Rsh) est associ´ee `a une augmen- tation de Rsh. Ces r´esultats montrent qu’il existe une forte corr´elation entre l’´epaisseur de la couche d’AlGaN et le pi´egeage observ´e. Il semblerait que le pi´egeage augmente simultan´ement avec l’augmentation de l’´epaisseur d’AlGaN.

Mesures pr´eliminaires : ´etude de structures lithographi´ees sans grille

(a) Repr´esentation de ∆(Rsh) pour diff´erentes

concentrations d’Al et AlN=1nm

(b) Repr´esentation de ∆(Rsh) pour diff´erentes

concentrations d’Al et AlN=2nm

Figure 2.16 – Repr´esentation de ∆(Rsh)

2.2.6.3 Influence de la concentration d’Al

Les travaux d’Ambacher introduits au chapitre 1, montrent que l’augmentation de la concen- tration d’Al dans la couche d’AlGaN entraine une augmentation des polarisations pi´ezo´electrique et spontan´ee de l’AlGaN. Ceci cause une augmentation de la densit´e de porteurs dans le gaz 2D et donc une diminution du Rsh [12]. D`es lors, on a cherch´e `a caract´eriser l’impact de cette concentration d’Al sur le pi´egeage. Pour cela, quatre plaques ont ´et´e caract´eris´ees : les deux premi`eres plaques poss`edent une ´epaisseur d’AlN de 1nm et un taux d’Al respectivement de 18 et 25%, les deux autres ont une ´epaisseur d’AlN de 2nm et un taux d’Al respectivement de 12 et 25%.

(a) Valeur moyenne de ∆(Rsh) et de Rshavec

ou sans lumi`ere en fonction de % Al. En poin- till´es sont repr´esent´es les r´esultats pour 2nm d’AlN

(b) Dispersion de ∆(Rsh) et de Rsh avec ou

sans lumi`ere en fonction de % Al. En pointill´es sont repr´esent´es les r´esultats pour 2nm d’AlN

Figure 2.17 – Valeur moyenne et dispersion pour ∆(Rsh) et Rsh avec ou sans lumi`ere La figure 2.16 repr´esente l’´evolution de ∆(Rsh) pour diff´erentes concentrations d’Al et pour

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une ´epaisseur d’AlN de 1nm (2.16a) ou 2nm (2.16b). Avec 1nm d’AlN, l’importante dispersion de mesure rend l’analyse de ∆(Rsh) difficile. Pour 2nm d’AlN, on observe une augmentation de ∆(Rsh) quand le pourcentage d’Al d´ecroit. Concernant la dispersion, on observe comme montr´e pr´ec´edemment (Fig. 2.13) une nette diminution de la dispersion avec une ´epaisseur d’AlN de 2nm en comparaison avec une ´epaisseur d’AlN de 1nm.

Sur la figure 2.17, on a repr´esent´e en pointill´es les r´esultats pour 2nm d’AlN et en trait plein ceux pour 1nm d’AlN. On voit sur la figure 2.17a que quelle que soit l’´epaisseur d’AlN, ∆(Rsh) varie lin´eairement en fonction de %Al et diminue avec l’augmentation de la fraction molaire d’aluminium. De plus, on voit que l’augmentation de ∆(Rsh) est associ´ee `a une augmentation de Rsh. Concernant la dispersion, on observe une influence de l’´epaisseur d’AlN (Fig. 2.17b). Pour 2nm, l’augmentation de % Al engendre une diminution de la dispersion. En revanche pour 1nm d’AlN la dispersion augmente pour Rsh dans l’obscurit´e et reste relativement stable pour Rsh sous ´eclairement et ∆(Rsh).

Identiquement `a ce qui a ´et´e observ´e pour les variations de l’´epaisseur d’AlGaN, on observe ici une corr´elation lin´eaire entre l’augmentation de la fraction molaire d’Al et le pi´egeage. A nouveau, la diminution du pi´egeage est associ´ee `a une diminution de Rsh.