La mesure de bruit basse fréquence appliquée aux mesures de pièges . 90

Le bruit en électronique est déni comme toute uctuation aléatoire du courant ou de la tension, provenant d'une variation de charges dans la structure. Il xe donc la limite basse de détection du signaux, à l'aide du rapport signal/bruit. Cependant, le bruit n'a pas qu'un eet délétère sur le composant : En connaissant ces sources possibles et en sachant le traiter, celui-ci peut donner accès à des informations pertinentes sur les défauts cristallins des matériaux. Les pièges sont en eet des centres de génération-recombinaison, responsables de uctuations de charges et donc générateurs de bruit. La bonne connaissance de toutes les sources possible de bruit est nécessaire an de retirer une information pertinente du signal. Les inuences du bruit thermique et du bruit en 1/f doivent être décorrélées du bruit de génération-recombinaison généré par les pièges.

3.1.3.1 Le bruit thermique

Le bruit thermique est présent dans tout dispositif à base de matériaux conducteurs ou semi-conducteurs. La vitesse des porteurs est en eet soumise à des uctuations dues à l'agitation thermique, au sein du milieu résistif dans lequel ils se déplacent. Le bruit thermique est déni par :

⟨i2

n⟩ = ^4kT

R ^∆f (3.1)

Où ⟨I2⟩ représente la densité spectrale de courant, k est la constante de Boltzmann

(1.38x10−23 _J.K−1_.mol−1, T la température en Kelvin, ∆f la bande de fréquence dans laquelle la mesure est eectuée et R est la résistance électrique du matériau dans lequel les porteurs se déplacent.

La densité spectrale étant indépendante de la fréquence, ce bruit est qualié de bruit blanc. L'amplitude instantanée du bruit présente une distribution gaussienne.

3.1.3.2 Le bruit de grenaille ou shot noise

Observé pour la première fois par Schottky en 1918, ce bruit provient de la nature dis-continue du courant électrique : Celui-ci est formé de charges élémentaires. Ce type de bruit existe lorsque le courant circule et que les porteurs de charge traversent une barrière de po-tentiel puisque ceux-ci la traversent à des temps aléatoire et non en même temps. La valeur instantanée du courant va donc uctuer autour de sa valeur moyenne. Les résistances et le canal d'un HEMT ne vont donc pas générer de bruit de grenaille. Celui-ci sera donc seulement visible lors d'une mesure de bruit sur le courant de grille (jonction Schottky). Aux fréquences basses et moyennes (pour des temps inférieurs au temps de passage des électrons à travers la barrière), le bruit de grenaille est considéré constant en fonction de la fréquence (bruit blanc). Aux fréquences plus élevées, celui-ci dépendra donc de la fréquence.

La densité spectrale de bruit de grenaille est décrite par [7] :

⟨i2

n⟩ = 2qIDC∆f (3.2)

3.1.3.3 Le bruit en 1/f

Le bruit en 1/f, quant à lui, est caractérisé par une densité spectrale de bruit inversement proportionnelle à la fréquence. Seules les basses fréquences seront donc impactées. Les origines de ce bruit sont moins bien identiées que celles des autres sources possibles de bruit. Deux modèles possibles peuvent être utilisés [141] :

Le modèle de Mc Worther [145] propose une explication en utilisant la uctuation du nombre de porteurs circulant dans le drain due aux défauts (génération-recombinaison) dans les régions considérées. Son expression est dénie par :

⟨i2 n⟩ = ^qµ L2 ntft(1− ft) n2L^τ1 τ2f ^IDVDS (3.3) Avec : f_t= ¹ 1 + B.exp [ E_T−EF kT ] (3.4) n = N_Cexp [ E_T − EF kT ] (3.5)

Où ET représente le niveau d'énergie du piège, Ef le niveau de Fermi, EC le niveau d'énergie de la bande de conduction, nt la densité de centres de génération-recombinaison, n la densité de porteurs libres, NC la densité d'états dans la bande de conduction et B est un facteur de dégénérescence de spin. En suivant l'hypothèse de Mc Worther (uctuation des porteurs dues à des défauts), les électrons passent d'un niveau E1 à un niveau E2. Les constantes τ1 et τ2 correspondent donc aux constantes de temps associées à ces deux niveau à l'aide de l'expression :

τ1,2 = τ0exp (E1,2/kT ) (3.6) Le deuxième modèle se base sur les variations de mobilité des porteurs (modèle de Hooge [146]), décrit par : ⟨i2 n⟩ i2 n = ⟨( ∆R R )2⟩ = ^αH N ^. ∆f f (3.7)

Où αH est le facteur de Hooge relatif au barreau résistif que l'on considère (le canal dans notre cas) et N est le nombre total de charges libres.

3.1.3.4 Le bruit de génération-recombinaison

Le bruit de génération-recombinaison, quant à lui, est une source de bruit dont la signature est lorentzienne. Cette source de bruit correspond aux phénomènes de piégeage-dépiégeage en présence de défauts cristallins dans le semi-conducteur. La uctuation du nombre de porteurs dans les bandes de valence et de conduction vont donc créer ce bruit qui se présente sous la forme : ⟨i2 n⟩ = ^K 1 + ( f fc )2 (3.8)

Où f est la fréquence, K est un coecient d'amplitude et fc est la fréquence de cou-pure dénie par la constante de temps du piège considéré. Il est donc possible d'extraire les constantes de temps de pièges à l'aide de cette source de bruit. La mesure est possible sur le courant de drain (⟨i2

D⟩) comme sur le courant de grille (⟨i2

G⟩), permettant d'obtenir des

informations sur la localisation des pièges (proches ou sous la grille dans le cas de ⟨i2

G⟩, dans

le buer de GaN ou le substrat dans le cas de ⟨i2 D⟩).

Le bruit en 1/f au niveau de la grille n'est cependant pas du même ordre que celui au niveau du drain. En eet, il s'agit cette fois d'un bruit généré à travers une barrière Schottky et non des uctuations de mobilité ou du nombre de porteurs. Les sources de bruit à ce niveau peuvent provenir de la modulation de la hauteur de barrière, résultant en une uctuation de la densité de charges dans la zone de charge d'espace. Cette modulation est induite par des faibles quantités d'électrons thermiquement activés et passant en chaîne à travers la barrière par eet tunnel. Une autre hypothèse possible consiste à supposer qu'à partir d'un niveau de courant en direct susant, du bruit en 1/f peut être généré dans la résistance série de la jonction Schottky.

3.1.3.5 Principe de la mesure de bruit BF

Le modèle utilisé pour l'extraction du bruit doit être tout d'abord déni avec soin, suivant le type de mesure (sur la grille ou le drain) et le type de composant. Le composant est ensuite polarisé à un point de repos donné, dépendant de la zone à observer : régime ohmique pour les pièges situés préférentiellement proche de la grille et régime saturé pour les pièges situés dans le buer de GaN et le substrat. Il est à noter cependant que les pièges de buer peuvent être visible en régime ohmique et inversement pour les pièges au niveau de la grille.

Le banc de mesure utilisé au laboratoire LAAS de Toulouse présente deux amplicateurs transimpédances utilisés pour recueillir le signal qui sera envoyé à un analyseur de spectre. Ce signal sera donc une tension représentative de la source de bruit en courant sur chaque accès du composant. L'analyseur donnera donc la densité spectrale de bruit à partir de laquelle les extractions peuvent être eectuées, la gamme de fréquence mesurée se situant entre 1Hz et 100MHz. La gure 3.5 présente un exemple de densité spectrale de bruit sur un HEMT AlGaN/GaN en faisant varier la tension de drain en régime saturé. Des centres de génération-recombinaison se distinguent du bruit en 1/f (modélisé par le trait en pointillé). En particulier aux basses fréquences, le signal obtenu s'écarte fortement du bruit en 1/f : Le composant présente de nombreux pièges lents répartis en énergie (constante de temps entre 0.1s et 1s soit entre 1 et 10 Hz).

Figure 3.5  Mesure de bruit basse fréquence sur un HEMT AlGaN/GaN, en faisant varier la tension de drain en régime saturé [141].

Bien entendu, le composant d'étude est placé en cage de Faraday an de s'abstenir de tout phénomène parasite (bruit du secteur à 50 Hz par exemple). Le gain des amplicateurs transimpédance doit aussi être vérié avant chaque manipulation.

3.1.4 L'application de ces mesures dans le cadre des composants de