Transistors stressés à canal ouvert

Dans le chapitre 1, nous avons montré que les dégradations des performances électriques des transistors les plus prononcées ont été obtenues après un stress à canal ouvert. En effet, une diminution du courant de drain maximal IDS max de l’ordre de 60% et une augmentation de Raccès

de l’ordre de 400% ont été observées après 216 h de stress. Les études rapportées au chapitre 1 laissent supposer que ces dégradations sont liées à la création de pièges électriques localisés

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entre la grille et le drain dans le GaN et/ou à l’interface AlInN/GaN et/ou dans l’AlInN et/ou à l’interface couche de passivation/AlInN.

La figure 12-a présente les caractéristiques IDS (VDS, VGS) d’un HEMT AlInN/GaN avant un stress à canal ouvert et avant irradiation (courbe bleue), après un stress à canal ouvert et avant irradiation (tirets rouges) et après un stress à canal ouvert et après irradiation (pointillés verts). Afin d’analyser la réversibilité des effets observés, les transistors stressés et irradiés ont également été mesurés (tirets pointillés mauves) 4 mois après l’irradiation. Afin de mieux appréhender les différences entre les caractéristiques électriques des transistors stressés qui ont été mesurés avant et après l’irradiation, un zoom de la figure 12-a est représenté sur la figure 12-b.

Figure 12 : a : Caractéristiques IDS (VDS, VGS) d’un HEMT AlInN/GaN avant stress (courbes bleues), après stress et avant irradiation (tirets rouges), après stress et après irradiation

(pointillés verts) et 4 mois après la fin des irradiations (tirets violets). b : zoom pour IDS

compris entre 0 et 450 mA/mm

Comme nous l’avons vu au chapitre 1, une chute du courant de drain et une augmentation de la résistance d’accès ont été observées après 216 h de stress à canal ouvert. Après avoir irradié ces transistors stressés, IDS max a diminué de 435 à 398 mA (- 9%). Dans le même temps, peu d’évolution de Raccès a été constatée. Nous observons également que la diminution de IDS est plus importante pour VGS = 1 V, c’est-à-dire lorsque le canal est ouvert. De plus, nous pouvons noter que les effets des irradiations sont irréversibles puisque les paramètres électriques des transistors stressés et irradiés qui ont été caractérisés 4 mois après la fin de l’irradiation sont différents de ceux obtenus avant l’irradiation. Comme pour les composants non stressés, les irradiations des transistors AlInN/GaN entrainent une chute de IDS max qui est expliquée par la création de pièges de type accepteur engendrés par l’irradiation.

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Figure 13 : Evolution des paramètres IDS max et Raccès en fonction de la fluence d’irradiation

La figure 13 montre que le courant de drain maximal diminue régulièrement de 435 à 398 mA.mm^-1 tandis que la résistance d’accès augmente progressivement de 306 à 316 Ω lorsque la fluence varie entre 0 à 1,2.10¹² neutrons.cm^-2.

En ce qui concerne la grille, comme nous le montre la figure 14, aucune variation n’a été observée après 216 h de stress à canal ouvert. Par contre, l’irradiation a dégradé la grille du composant stressé qui présente un courant bien plus important. Le coefficient d’idéalité augmente de 4,1 à 4,3 tandis que la hauteur de barrière diminue de 0,51 à 0,39 eV.

Figure 14 : Caractéristiques IGS (VGS) d’un HEMT AlInN/GaN avant stress (courbe bleue), après stress et avant irradiation (tirets rouges), après stress et après irradiation (pointillés

verts)

Afin de comprendre les mécanismes physiques engendrés par les irradiations, nous avons étudié leur impact sur la transconductance mesurée à un VDS de 15 V. La figure 15

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présente la transconductance avant le stress à canal ouvert et avant les irradiations (traits pleins), après le stress et avant les irradiations (tirets) et après le stress et les irradiations (pointillés).

Figure 15 : Caractéristique gm (VGS) d’un HEMT AlInN/GaN avant stress (courbe bleue), 1 anaprès stress et avant irradiation (tirets rouges) et après stress et après irradiation

(pointillés verts)

Comme nous l’avons expliqué au chapitre 1, le stress à canal ouvert implique une dégradation des courbes gm (VGS), de la tension de pincement et l’apparition d’un canal parasite. La figure 15 montre que l’irradiation provoque une diminution du gm max de 117 à 73 mS.mm^-1. Dans le même temps, la tension de pincement n’évolue pas et reste constante à -4 V.

Afin d’expliquer les évolutions du comportement électrique des transistors stressés après irradiation, nous nous sommes intéressés aux effets de lumière et des conditions de polarisation sur les caractéristiques IDS (VDS, VGS) des transistors stressés avant et après irradiation (figure 16).

Figure 16 : Influence de la lumière sur les caractéristiques IDS (VDS, VGS) d’un HEMT AlInN/GaN avant (a) et après (b) irradiation. Les mesures ont été faites à l’obscurité (courbe

bleue) et sous éclairement (tirets rouges). VDS varie de 0 à 20 V par pas de 200 mV et VGS

évolue de -6 à 1 V par pas de 1 V.

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La figure 16 met en évidence une augmentation du courant de drain sous éclairement avant et après irradiation. Dans les deux cas, nous pouvons en déduire que la sensibilité vis-à-vis de la lumière est liée à une libération des électrons par des pièges donneurs et/ou des pièges accepteurs remplis. Cependant, la sensibilité vis-à-vis de la lumière des transistors stressés est plus importante après l’irradiation, ce qui confirme que celle-ci induit la création de pièges électriques dans les transistors stressés.

Figure 17 : Caractéristiques IDS (VDS, VGS) d’un HEMT AlInN/GaN après stress (a), 1 an après stress et avant irradiation (b) et après irradiation (c) mesurées avec les conditions C1

(trait plein bleu), C2 (pointillés verts) et C3 (tirets rouges)

C1 : VDS allant de 0 à 20 V par pas de 200 mV et VGS de -6 à 1 V par pas de 1 V C2 : VDS évoluant de 0 à 20 V par pas de 200 mV et VGS de 1 à -6 V par pas de 1 V

C3 : VDS variant de 20 à 0 V par pas de 200 mV et VGS de -6 à 1 V par pas de 1 V

La figure 17 présente l’impact du sens de polarisation sur les caractéristiques IDS (VDS, VGS) des transistors stressés avant (17-b) et après irradiation (17-c). Nous constatons

que les différences entre le IDS mesuré dans la configuration C1 et C2 et entre le IDS mesuré dans la configuration C1 et C3 ne sont pas identiques mais aucune tendance générale ne se dégage. On peut tout de même affirmer que l’irradiation par des neutrons thermalisés a modifié les effets de pièges des transistors vieillis par un stress à canal ouvert. Il est également intéressant de noter une diminution du courant de drain lorsque VDS est compris entre 18 et

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20 V et pour des VGS de -3, 0 et 1 V (zone entourée en noir sur la figure 17-b) lorsque le composant est caractérisé dans la configuration C3. Cette diminution n’était pas présente juste après le stress (figure 17–a). Elle est visible 4 mois après la fin du stress (chapitre 1), mais aussi 1 an après la fin du stress (figure 17–b) et après l’irradiation (figure 17–c) sur tous les composants stressés à canal ouvert. Cela pourrait être lié aux pièges lents (à double titre) créés durant le stress : lents car ce phénomène n’apparait qu’au bout d’un certain temps après la fin des stress et lents car la fin de l’augmentation de IDS et donc du dépiégeage (zone entourée en noir sur la figure 17-b) ne se produit que lorsque VDS est égal à 18 V soit une dizaine de millisecondes après avoir polarisé le transistor à une tension VDS de 20 V. Nous pensons que l’augmentation brutale de IDS lorsque VDS varie de 20 à 18 V est liée à la libération d’électrons provenant de pièges lents. Cette évolution diffère de celle que nous observons habituellement lorsque les composants sont mesurés dans la configuration C3 (figure 11-a). En effet, dans ce cas les porteurs sont libérés immédiatement par les pièges lorsque les composants mesurés dans la configuration C3 sont polarisés à 20 V.

Nous avons donc montré dans cette partie que les irradiations dégradaient le transistor en créant des pièges accepteurs captant les porteurs du canal et qui diminuent le courant de drain et augmentent la résistance d’accès. De plus, la création de pièges agissant comme des donneurs a été constatée puisque nous avons montré que les effets de lumière étaient plus importants après l’irradiation.

Nous avons aussi mis en évidence que les irradiations par des neutrons thermalisés impliquaient une dégradation du courant de drain, de la résistance d’accès, du courant de grille, de la transconductance des transistors vieillis par un stress canal ouvert. De plus, la sensibilité vis-à-vis de la lumière des caractéristiques IDS (VDS, VGS) des transistors stressés est plus importante après l’irradiation alors qu’aucune tendance ne se dégage pour la sensibilité vis-à-vis des conditions de polarisation.