Mesures I d (t) pendant le stress (« back-bias »)

Les mesures présentées dans cette partie ont été réalisées aussi sur la structure TLM

(HEMT AlGaN / GaN « sans grille ») afin d'identifier les niveaux des pièges dans la couche

tampon de GaN. La Figure 2.7-(b) schématise le principe et les étapes à suivre durant le test de

« back-bias ». En revanche, la technique de caractérisation mise en œuvre par la suite est celle

utilisant des composants assemblés. En outre, le courant de drain en fonction du temps à

V

TLM

= 0,5 V (avec la source connectée à la masse) a été mesuré lorsque la polarisation du

substrat V

sub

commute de 0 V à -100 V à l'instant t = t

sON

= t

0

, dans l’obscurité. L’allure du

courant de drain I

d

à partir de cet instant t

0

sera étudiée dans cette partie. La Figure 2.18 montre

une coupe transversale de la structure TLM HEMT AlGaN / GaN avec les conditions de test.

Figure 2.18 Coupe transversale de la structure HEMT AlGaN / GaN sans grille, avec les conditions pendant le test à t0 = tON.

La Figure 2.19 montre une comparaison entre le transitoire du courant de drain,

normalisé par rapport à I

_d

Vsub0

(la valeur du courant à V

sub

= 0 V ), pendant le stress «

back-bias » avec V

sub

= - 100 V. La tension V

sub

utilisée a été choisie de façon à ce que le 2DEG ne

soit pas complètement dépeuplé. Ce stress est appliqué sur des échantillons provenant de trois

lots technologiques, A, B et D (voir Figure 2.8), à T = 25 °C. Il faut noter pour la suite que les

69

et D1

b

proviennent du bord des mêmes plaques respectivement (indice « c » pour centre et

indice « b » pour bord). On peut remarquer, d’après ces quatre courbes, que le transitoire du

courant mesuré diminue après l’application de la tension V

sub

, puis augmente avec le temps.

La diminution du courant est rapide pour les échantillons A1 et B2

b

qui ont le même

comportement, tandis qu’elle est lente pour les deux autres qui ont presque la même allure mais

présentent une différence par rapport à la valeur du courant normalisée tout au long de la

mesure.

Ce comportement indique l’existence de plusieurs contributions de pièges. En d’autres

termes, les pièges existants ont des propriétés différentes (énergies d’activation E

a

et section

de capture σ

n

). Ce sujet sera traité dans le 3

ème

chapitre. Des études ont démontré que la

diminution du courant de drain est attribuée à la génération de charges négatives dans la couche

tampon / transition par l'ionisation des pièges de type accepteurs, qui appauvrissent le 2DEG.

L'augmentation du courant de drain est causée par l'ionisation des pièges à donneurs, générant

des charges positives [127], [130].

(a) (b)

Figure 2.19 (a) Courant de drain en fonction du temps, normalisé par rapport à Id mesuré à Vsub = 0 V, avec Vsub = - 100 V, courbes du haut en échelle linéaire, courbes du bas en échelle logarithmique ; (b) histogramme montrant les valeurs du

courant 𝐼𝑑_{𝑉𝑠𝑢𝑏0}, avec Vsub = 0 V; pour différents échantillons ; avec VTLM = 500 mV ; dans l’obscurité ; T = 25 °C.

Les échantillons B1

c

, B2

b

, D1

b

et D2

c

ont été testés dans les mêmes conditions à

70

La Figure 2.20 illustre le courant de drain en fonction du temps, normalisé par rapport

à I

d

mesuré à V

sub

= 0 V et mesuré pendant le stress à différentes températures, pour B1

b

et B2

c

.

On peut remarquer, surtout pour B1

c

, que la diminution du courant, qui était lente à température

ambiante, est accélérée à 50 °C et 75 °C, et on n’arrive plus à la détecter à des plus hautes

températures. D’autre part, l’augmentation du courant qui suit la diminution est aussi accélérée

à hautes température jusqu’à ce qu’elle soit dominante. Cela fait de ces composants et ces

conditions de test à haute température des bons candidats pour l’utilisation d’une manipulation

plus rapide.

En comparant B1

c

et B2

b

, on peut noter qu’à hautes températures on s’approche d’une

valeur proche du courant mesuré avant stress, plus rapidement avec l’échantillon du centre de

plaque (B1

c

) qu’avec celui du bord (B2

b

) (la récupération est presque totale pour B1

c

).

Cependant, à une température de 25 °C, on peut remarquer qu’atteindre une valeur, plus ou

moins stable, est plus rapide pour l’échantillon B2

b

que pour B1

c

.

(a) (b)

Figure 2.20 Courant de drain en fonction de temps, normalisé par rapport à Id mesuré à Vsub = 0 V, mesuré pendant le stress sous différentes températures, avec VTLM = 500 mV ; Vsub = - 100 V ; dans l’obscurité, pour les échantillons (a) B1c et (b)

B2b ; courbes du haut en échelle linéaire, courbes du bas en échelle logarithmique.

La Figure 2.21 montre l’influence du stress appliqué sur le courant de drain mesuré sur

les échantillons D1

b

et D2

c

. Une diminution du courant suivie d’une augmentation peut être

remarquée pour D1

b

à toutes les températures, alors que, pour D2

c

, la diminution du courant

est très lente et on n’arrive pas à observer une montée pendant la durée du test (7000 secondes),

à 25 °C et 50 °C.

71

On en déduit que, pour les échantillons provenant du bord (B2

b

et D1

b

), la récupération

du courant est plus rapide mais elle n’atteint pas la valeur de I

∞

à V

sub

= 0 V, même à haute

température. L’échantillon D2

c

présente essentiellement des pièges de type accepteurs puisque

la diminution du courant est dominante. En outre, l’accélération de retour à une valeur

constante du courant I

d

, induite par la température, suggère que les résultats observés sont liés

à un phénomène activé thermiquement. Ceci indique aussi que la technique de mesure utilisée

durant ce test est beaucoup plus fiable que celle du stress « back-gating ».

(a) (b)

Figure 2.21 Courant de drain en fonction de temps, normalisé par rapport à Id mesuré à Vsub = 0 V, mesuré pendant le stress sous différentes températures, avec VTLM = 500 mV ; Vsub = - 100 V ; dans l’obscurité, pour les échantillons (a) D2c et (b)

D1b ; courbes du haut en échelle linéaire, courbes du bas en échelle logarithmique.

En outre, même si B et D ont le même empilement épitaxial, ils présentent un

comportement différent (même à des hautes températures, le courant mesuré pour le lot D est

loin d’atteindre la valeur de I

∞

à V

sub

= 0 V contrairement au lot B). En effet, ces lots ont un

procédé de fabrication différent (Figure 2.8), plus particulièrement le budget thermique (les

échantillons n’ont pas vu la même température pendant le procédé). Ceci pourrait expliquer

l’apparition de pièges qui ne correspondent pas aux mêmes niveaux.

La Figure 2.22 résume les valeurs du courant avant stress I

_d

Vsub0

en fonction de la

température pour les différents échantillons. On peut remarquer que ce courant décroit en

fonction de la température, ce qui montre que le phénomène physique « phonon scattering »

72

est le mécanisme à l’origine de la dégradation de la mobilité en fonction de la température ( µ

α T

-1

), sur cette échelle de température [131].

Figure 2.22 𝐼_{𝑑𝑉𝑠𝑢𝑏0}en fonction de la température pour différents échantillons ; avec VTLM = 500 mV ; dans l’obscurité ; avec Vsub = 0 V;

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