TRANSISTORS LES PLUS PROMETTEURS 19
dispositifs ayant les caractéristiques qui se rapprochent le plus de la limite théorique du GaN tout en ayant des tensions seuils positives.
Figure 3.6 Résistance à l’état passant RON en fonction de la tension de cla-
quage Vbr des différentes architectures de transistors verticaux à base de GaN.
3.2
Historique et progrès concernant la fabrication des
transistors les plus prometteurs
Parmi les différents transistors verticaux analysés dans la revue de littérature, deux struc- tures, soit les CAVETs et les MOSVFETs, se sont démarquées selon leur performance en termes de tension de claquage, de résistance à l’état passant et de tension seuil. Afin de mieux connaître chacune de ces structures (avantages et inconvénients), il est intéres- sant de connaître l’historique et les progrès qui ont été accomplis au cours des années permettant d’atteindre de telles performances.
3.2.1
CAVET
Les premiers AlGaN/GaN CAVETs ont été signalés sur substrat de saphir dans les an- nées 2000-2004 par Ben-Yaacov et al.[23] puis fabriqués et caractérisés. Cette équipe de recherche a étudié en détail 3 types de pertes dans le dispositif. Comme présenté à la figure
3.7, le premier type de courant de fuite se produit lorsque les électrons provenant de la source passent directement à travers les couches isolantes CBLs (current blocking layers) de GaN :Mg pour se rendre au drain. Le deuxième survient lorsque les électrons provenant de la source se déplacent sous le 2DEG, ne pouvant donc pas être contrôlés par la grille.
Finalement, le troisième type de fuite se produit lorsque les électrons se déplacent de la grille vers le drain. Pour remédier à ces problèmes, l’équipe propose un procédé de fabrica- tion spécifique lors de la croissance des matériaux pour réduire considérablement les pertes à travers les CBLs. Elle propose d’avoir une couche de GaN non-intentionnellement dopée (UID-GaN) la plus fine possible pour minimiser les pertes sous le 2DEG et d’ajouter un isolant sous la grille.
Figure 3.7 Schéma du parcours des fuites dans un CAVET représenté par les flèches de couleurs gris pâles[6] .
Dans le cadre d’une autre de leurs études [6], trois variantes d’isolant CBL, ont été étu- diées, soit le GaN :Fe, le GaN :Mg et le GaN implanté d’ions d’aluminium. Les résultats montrent que, dans le dispositif de GaN implanté d’ions, le courant de fuite parasite est considérablement plus petit que celui de GaN :Fe et GaN :Mg. Cela s’explique par le fait que le fer ou le magnésium s’incorpore dans les couches lors de la recroissance, ce qui aug- mente la résistance du canal et diminue le courant dans le dispositif. Quant à la méthode d’implantation d’ions, celle-ci permet de bien définir les régions d’isolant. Cependant, lors de cette étude, le courant de fuite n’a pas pu être complètement éliminé et se retrouve principalement sous la grille, ce qui engendre des tensions de claquage relativement basses. De plus, il a été mentionné que l’un des principaux désavantages des CAVETs est qu’ils sont excessivement complexes à fabriquer[23]. C’est à partir de cette étude que les autres équipes de recherche se sont basés pour améliorer les CAVETs.
En 2008, le procédé de fabrication a été revu par Chowdhury et al.[24], permettant de fabriquer le premier CAVET en mode enrichissement (E-mode) par plasma CF4 ayant une
tension de seuil de 0,6 V. Comme ceux de Ben-Yaacov et al.[6] , les transistors de Chowd- hury et al. ont été fabriqués sur substrat de saphir et les couches isolantes CBLs ont été réalisée par implantation ionique de magnésium. De plus, les couches d’AlGaN/GaN ont été déposées par méthode MOCVD (metalorganic chemical vapor deposition). La particu- larité de cette étude se trouve dans l’exposition de certains échantillons à un plasma CF4.
3.2. HISTORIQUE ET PROGRÈS CONCERNANT LA FABRICATION DES
TRANSISTORS LES PLUS PROMETTEURS 21
Les résultats montrent que cette exposition permet de légèrement faire varier la tension de seuil des transistors vers des valeurs positives.
Toutefois, en 2012, l’équipe de Chowdhury et al.[21] a signalé que les dispositifs de leur étude précédente de 2008 [24] exposés au plasma CF4 étaient peu fiables. Ils expliquent cela
par la variation incontrôlable de la tension de seuil à cause de la diffusion du magnésium des CBLs dans les couches d’AlGaN/GaN lors de leur croissance par MOCVD. Pour y remédier , une autre étude a été réalisée en faisant la croissance des couches d’AlGaN/GaN par Plasma-MBE (molecular beam epitaxy) sur substrat de GaN pour avoir une faible température de croissance. Les résultats montrent qu’en réalisant la croissance des couches d’AlGaN/GaN par MBE à faible température, la diffusion des ions de magnésium a pu être évitée. Cette amélioration rend la fabrication du dispositif plus facilement reproductible, ce qui est avantageux pour de futures applications en haute puissance. De plus, une couche isolante de 30 nm de SixNy a été déposée par la technique MOCVD directement sous
la grille (entre la grille et l’AlGaN), ayant pour but de minimiser les fuites de grille. Finalement, afin d’avoir une faible résistance dans l’ouverture entre les CBLs, une dopage constant dans l’ouverture Nap de 2 × 1016cm−3 a été sélectionné pour évaluer l’impact de
la longueur de l’ouverture Lap sur la résistance spécifique RON. Ils ont fait varier cette
distance de 1 à 15 µm. Les résultats montrent que plus la longueur d’ouverture augmente, plus la résistance spécifique diminue jusqu’à saturation. En caractérisant les dispositifs, une tension de claquage autour de 250 V et une résistance spécifique RON de 2.2 mΩ·cm2
ont été observées sur un dispositif ayant une épaisseur de GaN de dérive (Drift Region) de 3 µm.
En 2014, l’équipe de Nie et al.[5] a amélioré les caractéristiques des CAVETs en perfec- tionnant les techniques de fabrication. La croissance du GaN a été faite par homoépitaxie sur substrat de GaN, permettant d’avoir de faibles densités de défauts dans le matériau et les CBLs ont été réalisées par croissance in-situ de p-GaN dopé au magnésium. Une couche de p+GaN a aussi été déposée sous la grille dont l’épaisseur et le dopage ont été sélectionnés pour avoir une tension seuil positive. Les résultats montrent une tension seuil de 0.5 V, une tension de claquage de 1.5 kV et une résistance spécifique de 2.2 mΩ·cm2. En 2016, Shibata et al. [22] a proposé un nouveau design de CAVET sur substrat de GaN dont la partie supérieure de la structure p-GaN/AlGaN/GaN a une forme de V sous la grille. L’intérêt de cette forme est qu’en fonction de l’angle du V, le diagramme de bande se voit modifier, permettant ainsi de déserter le canal 2DEG à cet endroit pour que le transistor ne conduise pas lorsqu’aucune polarisation ne lui ai appliquée. En somme, cela
a permis d’obtenir une tension seuil positive de 2.5V. Finalement, une résistance spécifique de 1 mΩ·cm2 et une tension de claquage de 1.7 kV ont été mesurées.
3.2.2
MOSVFET à accumulation
Puisque les MOSVFETs à accumulation sont des structures relativement nouvelles dans la littérature et que seulement quelques publications en font référence [1, 20], l’ensemble de l’historique de ce dispositif a déjà été couvert dans l’état de l’art à la section 3.1.2.2. Il en a été ressorti que l’avantage de cette architecture en comparaison avec le CAVET est qu’elle ne requiert pas de couche p-GaN.