Mécanismes de piégeage

Les défauts sont des impuretés qui empêchent les dispositifs d’atteindre les performances escomptées. Les défauts consistent dans des captures et émissions des porteurs libres, à travers des niveaux d’énergies intermédiaires dans la bande interdite. Ces niveaux d’énergies intermédiaires portent les noms d’énergies d’activation des pièges (Ea), et sont mesurés par

rapport à la bande de valence ou par rapport à la bande de conduction. Les phénomènes de piégeages peuvent prendre plusieurs formes :

• Variations non détectables en électrique mais nuisibles sur les systèmes non- linéaires (par exemple, sur les mélangeurs ou sur les VCO via le bruit de phase) ; • Variations sensibles sur les courants (Ids, voire Igs [72]), qui empêchent la

stabilisation instantanée des performances (par exemple, l’impossibilité d’exploiter les données en amplitude, voire en phase pour les systèmes RADAR). Nous distinguons plusieurs types de pièges :

• pièges lents, avec des constantes de temps de l’ordre de la microseconde à plusieurs secondes, voire minutes ;

• pièges rapides, avec des constantes de temps de l’ordre de la nanoseconde (voire en dessous [73] à quelques centaines de nanoseconde.

Les phénomènes de capture sont plus rapides que les phénomènes d’émission parce qu’elles nécessitent moins d’énergie afin d’attraper un électron libre. Nous arrivons à accéder aux différentes constantes de temps des pièges (ζ) avec la loi d’Arrhenius. Néanmoins, il n’est pas possible d’attribuer un défaut à un piège individuel puisqu’il s’agit habituellement d’une distribution de pièges en surface ou en interface, ce qui entraîne des constantes de temps distribuées. AlGaN 2DEG GaN Source Ni Pt Drain Au +SiN_xpassivation GaN Compression Compression Compression Extension Extension

Les pièges (défauts) sont souvent attribués à des dislocations, ou à des impuretés (dopage intentionnel ou non intentionnel) dans les différentes couches : en surface (au-dessus de la couche barrière), dans la couche barrière, dans la couche buffer ou à l’interface des deux matériaux.

1.5.2.2.1. Pièges de surface

Afin de garder la neutralité électrique globale dans un HEMT AlGaN/GaN, les pièges de surface sont de nature positive ou négative pour le 2DEG, en fonction de la couche terminaison en face N ou en face Ga. Ils se trouvent soit à l’interface métal - couche barrière, soit dans les espaces grille-drain ou grille-source.

Les pièges localisés en surface du dispositif réalisent une conduction du courant par effet tunnel (pour une quantité importante de défauts), ou par saut de porteurs (pour un nombre réduit de défauts). La conductivité du courant par saut de porteurs (hopping en anglais) accumule les électrons en surface du composant, et provoque la formation de ce qu’on appelle une grille virtuelle.

Plusieurs chercheurs [74]–[77] ont conclu sur le fait que la grille virtuelle serait à l’origine de l’effondrement du courant drain par dépolarisation dans la zone grille-drain. De plus, Vetury et al. [78] attribuent les phénomènes de retard à la commande (lag en anglais) à la présence des charges de surface.

Physiquement, les pièges de surface se forment suite à l’oxydation de l’Aluminium dans la couche barrière, ou plus fréquemment, suite à une contamination pendant le processus de fabrication. En conséquence, plusieurs solutions ont été proposées afin de diminuer l’impact des pièges de surface sur le bon fonctionnement du dispositif :

• utilisation d’une passivation de qualité [79], [80]. Lu et al. [81] ont observé des phénomènes de lag beaucoup plus prononcées sur des dispositifs sans passivation de surface. Pourtant, le lag commence à se faire remarquer aussi sur des dispositifs passivés, à des champ électriques élevés [79], [82]. Des solutions de passivation in

situ semblent fortement améliorer ces problèmes de retard à la commande [83],

[84].

• utilisation d’un plateau de champ (field-plate en anglais) [85], [86]. Ce plateau de champs permet d’augmenter la tension de claquage du dispositif, au détriment d’une limitation fréquentielle à cause des effets capacitifs. Certains travaux utilisent plusieurs plateaux de champs superposés [87].

Chapitre I : Technologies nitrures et HEMTs AlGaN/GaN 1.5.2.2.2. Pièges de volume

Ce type de piège se trouve habituellement dans la couche barrière (AlGaN), ou dans la couche tampon (GaN).

Lorsque les pièges agissent dans la couche barrière, ils sont susceptibles de se recombiner avec les électrons provenant du 2DEG, et de changer le potentiel interne appliqué entre la grille et la source. L’émission d’électrons du canal vers la grille se fait par conduction de Poole- Frenkel, ou encore par l’effet hopping, et est causée principalement par les contraintes piézoélectriques et électriques pures [88], [89].

En revanche, si les pièges se trouvent plutôt dans la couche tampon, alors les électrons du canal risquent de diffuser vers la GaN de faible résistivité. Dans ce cas, une diminution de la concentration des porteurs dans le canal est constatée. De surcroît, les électrons capturés dans le GaN forment une grille virtuelle, qui affecte le nombre de porteurs dans le 2DEG. Ce phénomène porte de nom de self-backgating (en anglais), et est considéré comme l’agent causal du retard à la commande du courant de sortie (drain lag).

Binari et al. [90] ont observé l’abaissement du taux de drain-lag sur du GaN peu résistif. Effectivement, le drain-lag est dû au dopage de type accepteur, qui augmente la résistivité dans le matériau. Néanmoins, les dopages intensifient aussi l’action des pièges, ce qui conduit à des phénomènes de drain-lag plus accentués. Afin d’améliorer cet effet indésirable, Palacios et al. [91] ont promu l’utilité d’un espaceur de faible bande interdite, qui permet de mieux confiner les électrons dans le canal, en limitant leur diffusion dans la couche tampon, siège de nombreux défauts.