Mécanismes de dégradation activés par le courant électrique . 34

En plus des eets thermiques, les courants électriques passant dans le transistor sont une cause possible d'évolution de sa topologie au cours du vieillissement. Kuzmik et. al. ont mis en évidence des eets de burnouts localisés suite à des overstress électriques (EOS où Electrical Overstress) : Les HEMTs AlGaN/GaN ont été stressés sous des impulsions de 100 ns, les courants et tension étant moyennés sur 85 à 95 ns de manière à atteindre 1.25 A/mm. Les composants ont ensuite été ouverts en face arrière pour une observation à la caméra thermique (gure 1.26).

Ces observations permettent de mettre en évidence des points sombres à proximité des grilles polarisées. De plus, les mesures IV sur les grilles Schottky ont montré une évolution de leur caractéristique. Ces dégradations ont été attribuées à de l'électromigration due aux forts courants passant dans le transistor lors de l'EOS suite à des observations électro-optiques. Cependant, le terme exact reviendrait plutôt à un burnout localisé puisque l'électromigration est un phénomène d'usure tandis que les EOS se rangent dans la catégorie des tests de robustesse.

Figure 1.26  Image face arrière d'un HEMT AlGaN/GaN en caméra thermique après un overstress électrique (Istress= 1.25A/mm) sur le drain (a) et sur la source (b) [82]. Les èches indiquent l'apparition de points sombres attribués à de l'électromigration.

De plus, Dietrich et son équipe ont aussi observés des dégradations dues à cet eet sur leurs HEMTs [83] : Les composants ont subi des stress en fonctionnement radiofréquence, l'alimentation dc étant xée à VDS=20V et PDC−DISS=15W/mm, avec une PAE de 40% et une puissance RF de sortie de 10W/mm. Après 5 min de stress, les composants sont re-mesurés et comparés à leur état initial. Une chute du courant de drain est observée (jusqu'à 8%). Une analyse MEB du composant après vieillissement conrme l'origine de la dégradation comme étant de l'électromigration due aux forts courants.

1.4.3.3 Mécanismes de dégradation activés par le champ électrique

En plus des hautes températures et forts courants atteignables au sein des HEMTs GaN, les importants champs électriques inhérents à leur utilisation vont induire des phénomènes de dégradation supplémentaires.

L'un de ces phénomènes critiques est du à l'eet piézoélectrique inverse. Nous avons vu précédemment que le GaN et l'AlGaN sont des matériaux piézoélectriques : ils vont créer un dipôle entre leurs faces sous contrainte mécanique. Ce phénomène est cependant réversible : l'application d'un champ électrique va induire une contrainte mécanique sur le matériau. Les fortes tensions VGD au sein des HEMTs vont donc appliquer un champ vertical colinéaire au champ résultant de la contrainte mécanique naturelle à l'empilement GaN/AlGaN sous la grille et côté drain (gure1.27), participant à l'augmentation de cette contrainte mécanique. En eet, la source étant usuellement reliée au plan de masse, c'est du côté drain que le champ électrique sera le plus important au sein du composant et donc, l'endroit privilégié pour ce type de contrainte. Les excursions de tension de drain en amplication RF vont, de plus, atteindre deux fois la tension de polarisation DC du composant, aggravant la situation.

Grille Al_xGa_1−xN GaN source drain −→ P_tot=⁻P^→_sp+⁻P^→_pz V_{GS ≤}0V _V DS >>0V − → E Contraintes m´ecaniques V_S = 0V Contrainte `a l’origine

de l’effet piezo´electrique direct (accord de maille)

Figure 1.27  Eet piezoélectrique inverse : le fort champ dérivant du haut potentiel VGD

Il y aura donc une tension VGD (et donc un champ électrique) critique au-delà duquel la défaillance va soudainement apparaître [84]. En eet, l'énergie élastique emmagasinée dans l'AlGaN doit atteindre son point critique avant de se relâcher, sous forme de défauts cristallins tels que les dislocations ou les pits et les cracks [85] qui peuvent servir par exemple de chemins de fuites. Le courant en lui-même ne jouera pas un rôle prépondérant en dehors de l'auto-échauement du composant, la température étant cependant capable d'exacerber le phénomène [86]. Le champ électrique parrallèle au canal (provenant de VDS aura moins d'impact sur la contrainte mécanique, du fait de sa non co-linéarité avec le champ induit par la polarisation totale dans l'AlGaN.

L'observation de ces défauts à été conduite par Park et. al. après un vieillissement (DC-life test) sous forte tension de drain [87]. La formation de cracks en coin de grille côté drain est présentée en gure1.28. Le degré de formation du défaut est fortement corrélé à la dégradation du courant maximum.

Figure 1.28  Observation en HRTEM des défauts coin de grille côté drain après un vieillis-sement DC sous forte tension de drain a) pour une chute de Idmax de 19% et b) de 58% [87]. La formation de cracks est mise en évidence dans le deuxième cas.

L'eet piezoélectrique inverse a aussi été retrouvé en tests HTRB (High Temperature Reverse Bias) par Zanoni et son équipe [88]. Le courant de fuites de grille des composants a critiquement augmenté pendant ce vieillissement. Leurs analyses en électroluminescence ont démontré que ce courant de fuites est localisé dans des points précis sur les bords de grille, correspondant certainement à des défauts dans le semi-conducteur ou dans l'interface Schottky. La densité de ces spots a aussi augmenté pendant le stress, en corrélation avec celle du courant de fuite ainsi que l'augmentation des eets de pièges (eets mémoires).

L'injection de porteurs chauds est un autre eet délétère du champ électrique (comme nous l'avons vu précédemment). Cette fois, il s'agit du champ généré parallèle au canal induit par

V_DS. Cependant, les conséquences de cet eet seront traitées dans la section sur les pièges à la n de ce chapitre. Ce phénomène n'est pas présent seulement dans les HEMTs AlGaN/GaN :

Tous les composants fonctionnant à forte tension sont susceptibles d'être impactés par ce genre de dégradations, comme les MOSFET par exemple [89].

An de pallier aux dégradations d'origine électrique, les chercheurs et les fondeurs de composants ont adapté la structure des composants an de placer une plaque de champ (appelée communément eld plate) reliée à la source et passant au dessus de la grille, an de diminuer le pic de champ électrique au niveau du coin de grille côté drain. Ce eld plate permet donc d'augmenter la tension de claquage du composant : Li et. al. ont par exemple obtenu un tension de claquage de VBR = 110 V grâce à un eld plate dans un HFET GaN.

La gure 1.29 présente un schéma d'une telle structure avec l'utilisation d'une grille en T. Cette topologie permet de concilier une faible résistance d'accès et une réduction de la longueur de grille : Les électrons ont moins de distance à parcourir donc la fréquence de transition du transistor sera plus importante. Cependant, la faible longueur de grille implique une forte augmentation du champ électrique côté drain, entraînant une limitation de la tension de claquage [90]. Pour limiter cette faiblesse, la distance grille-drain doit être augmentée pour baisser le pic du champ électrique. Cela doit se faire dans la limite où la résistance d'accès de drain (qui augmente avec LG−D) n'est pas trop importante, sous peine de dégradations des performances en puissance [91].

L'eet de la longueur du eld plate utilisé est présenté en gure1.30. Sa longueur doit être optimisée an de réduire le pic de champ électrique mais aussi en limitant les eets capacitifs parasites formés par sa présence [1].

Drain Al_xGa 1−xN GaN Passivation (SiN)

Grille

Field Plate

en T

Figure 1.29  Structure d'un HEMT avec un eld plate, et une grille en T.

Bon nombre de mécanismes de défaillances possibles au sein des HEMTs GaN ont été identiés et expliqués. Leur nombre et le couplage possible de leurs causes rendent complexe la compréhension de leur comportement en conditions opérationnelles. Ancona et son équipe ont développé un modèle couplé multi-dimensionnel thermo-électro-mécanique an de mieux comprendre le comportement de ces composants [92].

Figure 1.30  Eet de la longueur du eld plate sur le champ électrique interne au composant