Réalisation et caractérisation des HEMTs AlGa /Ga sur Si(111)
Q. Z.Liu et al [65] montrent que : l’eau régale bouillante nettoie mieux la surface GaN que HCl ou HF; Les acides HCl et HF ont des actions équivalentes et peuvent remplacer l’eau
II- 46) aurait donc la plus faible densité de défauts dans la barrière. De même L846.2 qui a
les courants de fuite les plus élevés (voir Figure II-46) aurait la plus forte densité de défauts dans la barrière.
La seule différence intentionnelle entre ces trois échantillons est la couche tampon. Comme nous l'avons vu au paragraphe II.4, l’épitaxie de couches épaisses de (Al)GaN sur silicium est très difficile à cause de la forte différence de paramètre de maille et de coefficient de dilatation thermique entre le silicium et l’(Al)GaN. Ainsi on voit deux régimes en fonction de l'épaisseur de la couche tampon. À faible épaisseur la qualité cristalline au sommet de la couche tampon augmente avec l'épaisseur de la couche tampon alors qu'au delà d'un certain seuil l'augmentation d'épaisseur tend à augmenter la densité de défauts cristallins à cause de l'augmentation de la courbure du substrat et des fissurations créées au cours du refroidissement [137]. Ces défauts cristallins peuvent se transmettre à la barrière épitaxiée sur le tampon. Cette dégradation explique l’augmentation de deux ordres
de grandeur des courants de fuite observée sur L848.4 (tampon de 1,8µm en Al0,03Ga0.97N) par rapport au L847.2 (tampon de 1µm en Al0,03Ga0.97N).
Les tampons de L846.4 et de L848.4 ont la même épaisseur (1,8µm), mais les courants de fuite des DH-HEMTs (L848.4) sont trois ordres de grandeur plus faibles que ceux des SH-HEMTs (L846.4). Ceci peut être expliqué par la réduction des courants de fuite de type (1) dans la Figure II.47b des DH-HEMTs par rapport aux SH-HEMTs. En effet, le dopage résiduel dans le tampon AlGaN est plus faible que celui dans le GaN [138]; le pincement est plus efficace dans le DH-HEMT car les électrons du canal sont mieux confinés [138].
Les courants de fuite de L846.4 sont très élevés. Cet échantillon ne convient pas pour les études du fonctionnement des HEMT AlGaN/GaN sous fortes tensions. Par conséquent nous ne nous intéressons par la suite qu’aux échantillons L847.2 et L848.4.
La Figure II-48 présente les valeurs absolues des courants de fuite Igoff (Vgs=-9V ;
Vds=6V) de tous les transistors mesurés sur les échantillons L847.2 et L848.4. Nous observons que les comportements typiques présentés sur la Figure II-46 sont observables sur une large partie des échantillons (colonnes 10 à 14 pour L847.2 et colonnes J à N pour L848.4). Les courants Igoff sont significativement plus élevés en bordure d'échantillon (colonne 9 pour L847.2 et colonnes G à I pour L848.4). Dans ces zones on note de fortes dispersions des courants mesurés et des comportements différents d'un échantillon à l'autre : - Sur l'échantillon L847.2, les dispositifs de la colonne 9 présentent une très forte dispersion sur les courants de fuite : quelques dispositifs présentent un comportement proche de comportement typique alors que d'autres présentent des courants plus élevés de 5 ordres de grandeur. Cette dispersion peut être attribuée à une distribution aléatoire de défauts à la proximité du bord d'épitaxie (trait blanc sur la photo en insert). On note que cette dispersion des comportements électriques n'est présente que sur une bande étroite (~4 mm) au bord de l'échantillon.
- Sur l'échantillon L848.4 on n'observe pas de forte dispersion en bordure d'échantillon : les dispositifs au plus près du bord d'épitaxie (colonne F) n'ont pas été mesurés. En revanche on observe une augmentation progressive des courants de fuite avec la réduction de leur distance au bord d'épitaxie. Cet effet peut être attribué à l'épaisseur de la couche tampon de cet échantillon (1.8µm d'Al0.03Ga0.97N) qui, générant une courbure du substrat, augmente la probabilité de création de défauts structuraux [137]. En bordure de
wafer cette courbure est partiellement relaxée par la création de défauts macroscopiques (cracks), conduisant à la variation observée des courants de fuite. Sur cet échantillon la zone présentant une forte dispersion est localisée à mi-chemin du bord d'épitaxie, où les courants de fuite dominés par les effets de bord sont comparables aux courants typiques. On notera que l'amplitude de cette dispersion est beaucoup plus faible que celle observée en bordure de l'échantillon L847.2 (2 ordres de grandeurs au lieu de 5). L'échantillon L847.2 dont la couche tampon est de plus faible épaisseur (1µm d'Al0.03Ga0.97N) ne présente pas cet effet : la contrainte est trop faible pour générer ces défauts.
Figure II-48 : Courants de fuite Igoff (Vgs=-9V ; Vds=6V) de tous les transistors mesurés sur les échantillons L847.2 (en haut) et L848.4 (en bas). Les flèches rouges indiquent l’augmentation des courants de fuite Igoff avec la longueur de la grille. Les flèches noires indiquent la diminution des courants de fuite Igoff avec les distances source-grille et grille-drain.
Une dépendance significative des courants de fuite de grille à la géométrie des transistors est aussi été observée sur l’échantillon L848.4. En effet, ces courants augmentent avec la longueur de la grille (les flèches rouges dans la Figure II-48) et diminuent avec la distance grille-drain (les flèches noires dans la Figure II-48). Cette double dépendance est liée aux deux types de passages des courants de fuite de grille illustrés dans la Figure II-47. Leur dépendance à la longueur de grille est plus importante que celle due à la distance grille-drain. Ceci signifie que la composante (1) des courants tunnels illustrés dans la
Figure II-47 est dominante.
La dépendance des courants de fuite de grille à la géométrie des transistors est d'autant plus marquée que la densité des défauts dans la barrière est élevée. En effet, elle est plus importante dans les zones où les courants de fuite sont élevés (le bord de L848.4) et l'est moins dans les zones où les courants de fuite sont faibles (le centre de L848.4 et le centre de L847.2).
Les courants de fuite typiques de L847.2 sont un ordre de grandeur plus faibles que les meilleurs contacts de grille des HEMTs AlGaN/GaN reportés dans la littérature (voir
Tableau II-4). Ces faibles valeurs de courants de fuite de grille confirment à la fois la
bonne qualité cristalline de la barrière de cette structure et la qualité du procédé de fabrication.
II.9.1.2. Tension de pincement
La Figure II-49 présente les valeurs des tensions de pincement Vp de tous les transistors (toutes les géométries) mesurées sur les échantillons L847.2 et L848.4. Nous observons qu’elles ne dépendent pas de la géométrie du transistor et sont comparables entre L847.2 et L848.4. Ce résultat est tout à fait cohérent avec les calculs théoriques (Equation