Structures des HEMT AlGa /Ga sur silicium utilisées dans cette étude

Les structures HEMT AlGaN/GaN utilisées dans cette étude sont épitaxiées sur le substrat de silicium dans le but de développer et commercialiser des transistors bas-coût. Nous avons étudié 5 types de structures. Elles sont présentées dans le Tableau II-6. Notre étude a consisté à étudier les comportements électriques de ces structures en apportant une attention particulière aux mécanismes responsables des courants de fuite et de claquage. Dans un deuxième temps nous sommes attachés à améliorer le process de fabrication de ces transistors pour réaliser des commutateurs dont la tension de claquage est supérieure à 600V.

L846 L847 L848 L1300 S537C

Cap GaN 20Å GaN 20Å GaN 20Å GaN 15Å GaN 30Å

Barrière Al0.255GaN 250Å Al0.255GaN 250Å Al0.255GaN 250Å

Super - réseaux 8*(AlN 8Å/GaN15Å) AlN 8Å Double barrière Al0,15GaN 40Å Al0,28GaN 160 Å

Canal GaN 100Å GaN 100A GaN 100A GaN 100Å GaN 200Å

Tampon ^GaN 18.000Å Al0.03GaN 10.000Å Al0.03GaN 18.000Å Al0.055GaN 15.000Å Al0.03GaN 20.000Å Couches de transition

Substrat Si (111) 4 in. Si (111) 4 in. Si (111) 4 in. Si (111) 4 in. Si (111) 4 in. )

/ ( sq

R_sh Ω 430 510 500 -- 627

Tableau II-6 Les structures HEMTs AlGa@/Ga@ utilisées dans cette étude. Les épitaxies ont été réalisées par jets moléculaires à Picogiga International.

La première remarque sur ces structures porte sur la différence de l’épaisseur et du taux d’aluminium des couches tampon. Quatre des cinq structures (L847, L848, S537C L1300) ont le tampon en AlGaN avec un faible taux d’aluminium. Comme nous avons vu dans la partie II.4, les HEMTs dont le tampon est en AlGaN (DH-HEMT) ont des courants de fuite significativement plus faibles que ceux dont le tampon est en GaN (SH-HEMT).

Grâce à la discontinuité des bandes de conduction et au champ électrique de polarisation, la bande de conduction dans le canal et celle dans le tampon des DH-HEMTs sont significativement rehaussées. Le confinement et la mobilité dans le gaz 2D d’électrons sont augmentés. De plus, ce rehaussement de la bande de conduction augmente aussi l’isolation du tampon et réduit les courants de fuite de type (1) dans la Figure II-14. Le confinement du gaz 2D d’électrons augmente avec le taux d’aluminium (Figure II-23). Cependant, cette amélioration du confinement se paye au prix d’une diminution de la densité de charges dans le canal GaN en raison de la présence d’une charge de polarisation négative supplémentaire à la deuxième interface. Cette approche est confirmée dans les travaux de Y. Cordier et al

[101] : les DH-HEMT dont le tampon est en Al_0,1Ga_0,9N présentent une densité du gaz 2D d’électrons plus faibles d’un facteur 2 environ et des courants de fuite de drain à canal pincé plus faibles d’un ordre de grandeur par rapport aux SH-HEMT. Pour éviter la diminution significative de ns, le taux d’aluminium du tampon de nos structures est fixé à 3% (sauf 5,5% pour L1300, 0% pour L846 qui sert comme référence). L’influence du taux d’aluminium et de l’épaisseur de la couche tampon sur les caractéristiques électriques en mode DC des HEMTs sera discutée dans la partie II.9.

Figure II-23 : L’effet du taux d’aluminium de la couche de tampon AlGa@ sur le confinement et la densité du gaz 2D d’électrons.

La deuxième remarque concerne trois types de barrière : barrière en super-réseaux AlN/GaN, double barrière et barrière en alliage Al_0,255GaN. En effet, les paramètres limitatifs liés au procédé d’élaboration de la barrière standard en Al_0.3Ga_0.7N sont analysés dans les travaux de H. Lahreche et P. Bove [127]. Il s’agit de la rugosité (physique et chimique) aux interfaces, des fluctuations d’alliage et des désordres d’alliage. La rugosité aux interfaces limite la mobilité du gaz 2D d’électrons. Les fluctuations et les désordres d’alliage dégradent en particulier la contrainte piézo-électrique qui devient inhomogène et entraîne une densité de charge inhomogène du gaz 2D d’électrons : cela est dû à la densité de charge induite par la polarisation qui est très dépendante de la concentration en aluminium de la couche barrière AlGaN. A titre d’exemple, une variation locale de ±0,2% de la concentration d’aluminium permet de faire fluctuer la densité électronique de 2.10¹²cm^-2 et plus. H. Lahreche et P. Bove ont montré que l’alternance de monocouches atomiques AlN et GaN permet d’avoir une barrière à zéro désordre d’alliage, d’augmenter le taux d’aluminium dans la barrière, et d’avoir une répartition du champ piézo-électrique homogène (Figure II-24). Les améliorations de la structure HEMT avec la barrière en super-réseaux par rapport à la structure HEMT standard ont ensuite été démontrées dans les travaux de Y. Kawakami, Shuichi et al [128]-[130] : pour un taux d’aluminium d’équivalent de 31%, la mobilité est de 1520cm²/Vs au lieu de 1230cm²/Vs ; la densité de charge est de 1,6.10¹³cm^-2 au lieu de 1,2.10¹³cm^-2 ; la résistance de couche est de 250Ω/ au lieu de 428Ω/ ; le courant de drain du transistor est élevé (830mA/mm pour une distance source-drain de 12µm), la surface morphologique est plus homogène avec une rugosité

c)

Figure II-24 : a) Vue en coupe d’une structure AlGa@/Ga@ standard [127] ; b) Vue en coupe d’une structure n*(Ga@/Al@)/Ga@ [127] ; c) Diagramme de bande et distribution du gaz 2D d’électrons des structures HEMT AlGa@/Ga@ avec une barrière standard et une barrière en

super – réseaux (L1300).

La double barrière (structure S537C) avec un fort taux d’aluminium à proximité du canal permet d’augmenter le champ électrique dans la barrière et donc de réduire la diffusion des électrons dans la barrière. De plus le faible taux d’aluminium près de la surface permet de réduire la contrainte et d’éviter la relaxation de la barrière. Mais d’après la simulation (Figure II-25) la densité d’électrons de la structure avec double barrière est légèrement diminuée par rapport à la structure de barrière standard.

L’influence de différentes barrières sur les caractéristiques électriques en DC des HEMTs sera analysée dans la partie II.5.

Figure II-25 : Diagramme de bande et distribution du gaz 2D d’électrons des structures HEMT AlGa@/Ga@ avec une barrière standard et la double barrière (S537C).

Toutes les structures ont la même morphologie de surface (Figure II-26) avec des grains de 1µm de diamètre et une rugosité moyenne (rms) de 4nm environ.

Figure II-26 : Image de Microscopie à Force Atomique (AFM) de la surface d’une structure HEMT.

II.6. Effets de la gravure et du recuit sur la résistance de contact ohmique