Etude par spectroscopie DLTS des transitoires de capacité sur les interfaces oxydes natifs-(n) InP

HAL Id: tel-01775863

https://hal.univ-lorraine.fr/tel-01775863

Submitted on 24 Apr 2018

HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci-entific research documents, whether they are pub-lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.

L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.

Azzedine Telia

To cite this version:

Azzedine Telia. Etude par spectroscopie DLTS des transitoires de capacité sur les interfaces oxydes natifs-(n) InP. Autre. Université Paul Verlaine - Metz, 1990. Français. �NNT : 1990METZ012S�. �tel-01775863�

AVERTISSEMENT

Ce document est le fruit d'un long travail approuvé par le jury de

soutenance et mis à disposition de l'ensemble de la

communauté universitaire élargie.

Il est soumis à la propriété intellectuelle de l'auteur. Ceci

implique une obligation de citation et de référencement lors de

l’utilisation de ce document.

D'autre part, toute contrefaçon, plagiat, reproduction illicite

encourt une poursuite pénale.

Contact : ddoc-theses-contact@univ-lorraine.fr

LIENS

Code de la Propriété Intellectuelle. articles L 122. 4

Code de la Propriété Intellectuelle. articles L 335.2- L 335.10

http://www.cfcopies.com/V2/leg/leg_droi.php

Lorrain

d' Optique

& Electronique

des Sotides

aaa

Supélec

t

THESE

pésentée

à I'UNTVERSITE

de METZ par

Azzedine TELIA

pour I'obtention du grade de

DOCTEUR de I'UNMRSITE de M

en

ELECTRONIQUE

ETUDE PAR SPECTROSCOPIE DLTS DES TRANSITOIRES DE

CAPACITE SUR LES INTERFACES OXYDES NATIFS - (n) InP

soutenue

le27 juin 1990 devant

la commission

d'Examen:

Mr B. LEPLEY , hofesseur à lUniversitÉ, deMETZ Direcærn dc thèsc Mr G.CLjLLOT , Prrofesseur à IINSA de LYON Rappcaur

Mr S. RAVELET , Professeur à II.U.T de NANCY I Rapporæu Mr R . BLAI{CHET , Professeur à tEcole Centralc dc LYON Exaninarrn

Mr I.R CUSSENOT , hofesseur à II.U.T de NANCY I Êcaminaærn Mr B. STEBE , Professeur à lUniversitédeMHllZ Eraninaur

S9ooQES

A mes parents,

à mes frères et soeurs

Ce travail a été effectué au centre lorrain droptique et électronique des sorides. À cet effet je _{remercie Monsieur le} professeur _{M. CERTIER qui mra fait confiance en ntaccueillant} dans son laboratoire.

Mes remerciements vont également à Monsieur Ie professeur B. LEPLEY de nravoir accepté dans son équipe de recherche P.S.C. (Physique des Seni-conducteurs et Conposants) et pour Ies conseils gutil mra prodigués tout au long de ce travail.

Jrexprirne ma profonde gratitude à Monsieur G. GUILITT, p r o f e s s e u r à . 1 r I . N . S . A . d e L y o n , a i n s i g u , à M o n s i e u r S. RÀVELET, professeur à IrI.U.T. de Nancyl, pour Irhonneur qurils mront fait en acceptant de juger ce travail.

Je tiens égalenent à exlrrimer ma reconnaissance à Messieurs, R. BLAI.ICHET, professeur à lrécole centrale de Lyon, J . R . C U S S E N O T , p r o f e s s e u r à lrI.U.T. d e N a n c y l e t B . S T E B E , professeur à I rUniversité de trtetz dtavoir accepté de participer à cette connission drexamen.

De nême, je renercie Monsieur C. UICHEL qui a réalisé la plupart des échantillons qui ont serrri à cette étude.

Je renercie tout particulièrement F. DUJARDIN pour son aide efficace dans Ia nise au point du programDe de calcul qui nous

a pernis de mener à bien ce travail.

Jradresse meci vifs remerciements à Monsieur A. BÀTH et à MDê u. LUI.|BRERÀS pour les fructueuses discussions.

Je voudrais erçriuer mes remerciements aux chercheurs et personnel du CIOES et tout particulièrement à llme J. ZAYER' J.C. PETIT, trl. EL BOUÀBDELIÂTr, A. ÀHÀITOUF, F- ABDI et E. IIISSON pour leur aide.

Que tous ceux çri ont participé à Ia réalisation de ce Èravail soient vivement remerciés.

CEAPIÎRE I

TRAIISISTORS A EFFET DE CEAIIP 8I'R IDP

I . I . I N T R O D U C T I O N . . . 4 I . 2 . F I L I E R E I , I I S F E T S U R f n P . . . . 5 T . 2 . L . C r o i s s a n c e d r o x y d e s u r I n P . . . . . 6 T . 2 . 2 . I s o l a n t s d é p o s é s . . . . . . 7 T . 2 . 3 . L e s p h é n o m è n e s d e d é r i v e d a n s l e s M I S F E T S I n P . . . 9 I . 2 . 3 . 1 . D i s t r i b u t i o n c o n t i n u e d a n s I r o x y d e n a t i f . . . . 1 0 L . 2 . 3 . 2 . P i è g e s d i s c r e t s d a n s I r o x y d e n a t i f . . . . . L 2 T . 2 . 3 . 3 . O x y d e n a t i f c o n p o s i t e . . . . . . 1 3 I . 2 . 3 . 4 . E t a t s d r i n t e r f a c e s ( D . I . G . S ) . . . 1 4 T . 2 . 3 . 5 . _{S a u t d e l a c u n e s d e p h o s p h o r e [Vp] vers leurs} p l u s p r o c h e s v o i s i n s . . . . . . . . . . . . 1 5 T..2.3.6. Pièges dans Ie volune du semi-conducteur. . . . L6 I.3 FILTERE IIESFET SI]R InP. . . .1.6

I . 3 . 1 . B a r r i è r e S c h o t t k y s u r I n P . . . . . L 7 I.3.2. Augrnentation de Ia barrière Schottky par traitement d e s u r f a c e d r l n P . . . . L 9 I . 4 . C O N C L U S I O N . . . . . . . . . 2 O R E F E R E N C E S . . . . . . . . 2 L

CEAPITRE TI

DEFAI'T8 PROFOITDS ET SPECTROSCOPIE ÎRâISSITOIRE DE CAPÀCITE

I I . 1 _ . I N T R O D U C T I O N . . . . 2 6 rr.2.1 Emission et capture des porteurs par res niveaux

p r o f o n d s _{. . . . 2 7}

T T . 2 . 2 . C i n é t i q u e d e c a p t u r e e t d r é n i s s i o n . . . . . . . . 2 9 TT.2.3. _{Mécanisnes de capture et drémission non radiatifs} -processus nultiphonons-diagrarnrnes de configuration. . . . 30 I I . 3 . C A R À q T E R I S A T I O N P A R D L T S . . . . . . 3 5 I I . 3 . 1 . p r i n c i p e d e D L T S . . . . . . 3 5 I I . 3 . 2 . D t é t h o d e d e L a n g ( d o u b l e b o x c a r ) . . . . . . 3 9 I I . 3 . 3 . D i s p o s i t i f e x p é r i m e n t a l . . . o . . . 4 1 I I . 3 . 4 . M é t h o d e à d é t e c t i o n s y n c h r o n e . . . . . . 4 3 f I . 3 . 5 . _{M é t h o d e s d r a n a l y s e d r u n s p e c t r e D L T S . . . 4 5} I I . 3 . 5 . 1 . M é t h o d e d e L a n g . . . . . 4 5 I I . 3 . 5 . 2 . _{M é t h o d e s n u m é r i q u e s d t a n a l y s e d e s} s p e c t r e s o . . . . . . o . . . 4 5 I f . 3 . 5 . 2 . 1 . _{M é t h o d e d e A . L e B I o a e t a I . . . 4 5} I I . 3 . 5 . 2 . 2 . M é t h o d e d e A . V . V a s i I r e v e t a I . . . 4 6 I I . 3 . 5 . 2 . 3 . D é c o m p o s i t i o n d e s p i c s D L T S . . . o . . . . 4 7 I I . 3 . 6 . A p p l i c a t i o n d e l a D L T S a u x s t r u c t u r e s l i I S . . . 4 9 I I . 3 . 6 . 1 . E m i s s i o n d e s é l e c t r o n s p i é g é s e n V O l U n g . . . . o . . . . . . . . . . . . . . o . . . . . . . . . . . . . . . . 4 g I I . 3 . 6 . 2 . E n i s s i o n d e s é l e c t r o n s des états d' interfaces . . . o . . . .52 r r . 3 . 7 . D é t e r m i n a t i o n d e I a d e n s i t é d r é t a t s dtinterface à p a r t i r d e s s p e c t r e s D L T S . o . . . . . . o . . . 5 3

I I . 3 . 7 . L . M é t h o d e b o x c a r . . . . . . 5 3 I I . 3 . 7 . 2 . M é t h o d e à d é t e c t i o n s y n c h r o n ê . . . . . . 5 4 I I . 3 . 8 . D i s t i n c t i o n e n t r e l e s é t a t s d r i n t e r f a c e e t l e s p i é g e s d e v o l u m ê . . . . . . 5 5

I I . 3 . 9 . D l e s u r e d e s s e c t i o n s e f f i c a c e s d e c a p t u r e . . . . 5 5 II.4. DEFAUTS DAI{S LITNP ET RESULTATS DE LITTERÀTITRE. . . .56 I I . S . C O N C L U S I O N . . . o . . . . 5 7 REFERENCES. . . o . . . o . . . .61

CEAPITRE III

ETUDE PAR DLT8 LrfltfEntrlcE Iu-OXIDE PLTAUA RI-IDP

r r r . 1 .

I N T R O D U C I I O N . . . . . . 6 5

I I I . 2 . L . E I À B O R À T I O N D E S S T R U C I U R E S l ' f i S . . . . o . . . . . . . . . . . . . . . 6 5 I f I . 2 . L . T r a i t e m e n t d e s u r f a c e d e s c r i s t a u x . . . o . . . 6 6 I I I . 2 . 2 . O x y d a t i o n d e l a surface par la technique

I I I . 3 . 1 . E t u d e d e C(0) en fonction de Ia hauteur

d t i m p u l s i o n à d i f f é r e n t e s t e m p é r a t u r e s . . . 6 9

I I I . 3 . 2 . E t u d e d e C ( 0 ) e n f o n c t i o n d e I a l a r g e u r d t i m p u l s i o n à d i f f é r e n t e s t e m p é r a t u r e s o . . . o . . . 6 9 I I I . 3 . 3 . S p e c t r e s D L T S . . . o . . . o . . . . . . 7 0

r r r . 3 . 4 .

Déternination du spectre des états

CEAPITRE. IV.

CARASIERISI,IIOIT DB IJIIITTBRFACE OXTDE XIIIT hP(D) FORI{B PIN oxrDATIOlt cEIl[IQItE Dlltg ENOg Blt PEA8E LIQUIDE EI PEIAB VAPBUB.

I V . 1 . I N T R O D U C I I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o . . . . . . . . . 8 9 I V . 2 . P R E P À R À T I O N D E S E C I I A I I T I I J O N S . . . o . . . . 9 0 I V . 2 . 1 . O x y d a t i o n e n p h a s e I i q u i d e . . . o . . o . . . 9 0 T V . 2 . 2 . O x y d a t i o n e n p h a s e v a p e u r . . . o . . . 9 1 I V . 2 . 3 . P r é p a r a t i o n d g s s t r u c t u r ê s . . . . . . 9 2 r v . 3 . C À R À C T E R I S A T I O N D E S S T R U e r U R E S . . . 9 5 I V . 3 . 1 . R é s u l t a t s o b t e n u s s u r I a s t r r r c t u r e A u - I n P . . . 9 5 TV.3.2. Résultats obtenus sur les structures Au-oxyde n a t i f - I n P . . . . . o . . . o . . . o . . . . 1 0 1

I V . 3 . 2 . L . E f f e t d g I t o x y d a t i o l l . . . 1 1 6

I V . 3 . 2 . 2 . E f f e t d e s t r a i t e n e n t s t h e t n i q u ê É I . . . . . . . . . . 1 1 7 I V . 4 . I I O D E L I S À T I O N D E S P I C S D L T S . . . o . . . o . . . . . L 2 3

efficaces de capture avec la tenpérature sur res spectres

D L T S . . . o . . . . L 2 5

rv.4.3. Etude des spectres DLTS avec des transitoires nultiexponentigls. _{. . . o . . . "136}

I V . 4 . 3 . 1 . À n a l y s e d e s t r a n s i t o i r e s d e c a p a c i t é . . . ; 1 3 6 I V . 4 . 3 . 2 . D é c o n p o s i t i o n d e s p i c s D L T S . . . 1 4 0 I V . 5 . A I { À L Y S E E T D I S C U S S T O N D E S R E S U T T À S O B T E N U S . . . 1 5 1 IV. 6 . CONCLUSION. _{. . . o . . . 169}

C o , c ( v j ) : c n : c o x s AEa: E C : E F :

E r s :

E g , eni e n : E V : AE- :

fr-:

f o : synchrone)

ITISTE DBB gll{BOlfig- U[II'I8E8

Capacité de Ia Jonction lrts ou IrIIS sous tension VR' coéfficient de caPture.

Capacité de lrisolant.

Enèrgie dr activation aPParente' ii"ii- de ra bande de conduction' Niveau de Fer:mi.

Niveau de Fermi en surface' Gtq"ot de Ia bande interdite' Vitésse drérnission.

ùit;;; à'etitàron à la teupérature du pic' Maximum de la bande de valence'

sarrière drenergie Pour la capture' piobaUilité droècupation du centre' i"éôé""e du

-"iôà-r

de potarisation (détection Constante de Boltzmann'

Constante de force.

Constante aepénâÀrrt ao matériau (É 2'54 Lo24 s'I' èoncentration des porteurs libres'

Densité effective âtétats dans Ia B'c' Concentration de donneurg'

Densité dretat dr interface' Concentration du centre'

éà"àé"ttation des trous libreE dans la B'v' Charge de lrelectron.

cooréonnée de configuration'

Différence d'""àigié entre Ia B'C' et le niveau de Ie volume, EC-Ep.

Surface de Ia diode. Tenpérature absolue.

ternberature correspondant au pic D'L'T'S' TemPs. _.

période du signal de polarisation'

iiient ra fenétre ae îiteEse dtémission' i;Ë;"t àe rrimpulsion de renplissage' niùÉ"ot de t'inPulsion de remplissage' pàientier interne du semiconducteur' tension de Polarisation inverse' Vitesse thermique des electrons' Signal DLTS. _

-èôfrstante de temPs drénission'

èonstante de ternps Pour Ia capture' Hauteur de barrière.-d;ai;

efficace de capture des electrons' ééàti"" efficace de capture aPparente' pàtentiel de surface du semiconducteur' Permitivité du semiconducteur' k : K : K n : p o u r l r I n P ) n : N C : N D : N s s : N T : p : q : Q : gVn: Fermi dans

s :

T : T * : t : T O : t l , l z r t p :

vn:

vn:

VR: vth: Y : 1 ? r c i O g : O n 3 o æ Z Ù . 3 c,. :

IIITRODUCTIOTT

Les semi-conducteurs rrr-v présentent des propriétés qui permettent re déveroppement de lrérectronique rapide. r,e phosphure dtindiun est un natériau prometteur pour res applications dans les dispositifs optoélectroniques pour les téIécomnunications optiques _{aux rongueurs drondes 1.3 pm et} L . 5 FA, et les dispositifs d e p u i s s a n c e , e n r a i s o n d e l a vitesse électronigue érevée, des champs de claquage plus grands et drune neilleure conductibilité thermique.

Les faibles hauteurs de barrière _{du contact Schottky de la} grirle du transistor obtenues sur rrrnp (n) drune part, res

instabilités éIectrigues et Ia dérive des caractéristiques des T . E . c à g r i r l e i s o l é e , l i é e s à r a g u a l i t é d e r r i n t e r f a c e diélectrique-rnP, drautre part, linitent res apptications actuelles.

Les interfaces isorant,-rnp réalisées par différents procédés technologiques sont roin dratteindre la quarité de rrinterface silice sur siriciun, crest pour cette raison que res recherches sur ra passivation de Irrnp se sont intensifiées ces dernières années dans te but de fabriquer des transistors l,trsFETs. une autre solution peut être envisagée, qui conduit à la filière T.E.C à grille métal-semiconducteur en augmentant la hauteur de la barrière schottky en faisant croitre un oxyde natif sur rrrnp. ces deux points de vue seront développés dans le chapitre I.

caractérisation des défauts par la spectroscopie capacitive DLTS et les méthodes dranalyse des spectres.

Le chapitre III est consacré à Iranalyse par DLTS de Irinterface entre IrInP et lroxyde natif formé en plasma RF droxygène par la technigue bicouche sur différents substrats.

Dans Ie chapitre IV, nous présentons une étude par DLTS des interfaces oxyde natif-InP obtenus par oxydation chinique dans HNO3 en phase liquide et en phase vapeur. Les effets des modeE droxydation, des traitenents thermiques et la modéIisation des spectres DLTS seront développés. Nous analyserons les propriétés des défauts drinterface pour lesquels nous proposerons un modèIe basé sur les lois de variation des sections c.e capture obtenues après déconposition de ces niveaux en composantes éIémentaires.

CEAPTTRE T

r. 1 IIITRODTTCTIOII

Le phosphure d.indiun est un semi-conducteur III-V à structure cristalline zinc blende, à gap direct (1.35 eV à température anbiante) et à nobilité électronique élevée (4600 cm21v1s ). Les propriétés physiques de I|Inp ainsi que des composés ternaires et quaternaires rnGaÀs et rnGaÀsp, en font drexcelrents candidats pour ra fabrication des dispositifs pour les applications hyperfréquences et optoélectroniques. Lrun des déveroppenents actuers de lrrnp concerne Itintégration nronolithigue _{des conposants émetteurs de lumière} ou des photodétecteurs avec des transistors à effet de chanp pour ra réalisation des têtes drémission et de réception pour les liaisons par fibres _{optiques 1.3 ,rn et i,.55 pm. pour les} téréconnunications optiques, lrrnp per.met déjà de réariser des lasers énettant _{à 1.3 rrn et 1.55 Fr, longueurs drondes où les} fibres optiques présentent un minimum drabso4ltion.

r,es chercheurs du CNET de Bagneux [1.1] viennent de réussir à intégrer sur un même substrat seni-isolant un laser à double hétérostucture rnGaÀsP énettant à 1.3 pm drune part et un transistor à effet de champ à grille isolée de type l{rsFET dr autre part.

cependant les probrènes dtinstabirité et de dérive non résorus linitent le déveroppenent actuel de ces transistors. Deux fillères de transistors à effet de chaup peuvent être envisagées:

5

La filière I{ISFET nécessite un isolant épais de grille et la filière IIESFET où Ia grille de conmande est une barrière Schottky.

I,es faibles barrières Schottky obtenues sur InP ne permettent pas de réaliser des transistors UESFET tels qurils sont développés sur GaAs. Pour résoudre ce problème on peut envisager Iraugrmentation de Ia barrière Schottky par introduction drune fine couche droxyde natif entre IréIectrode et I I InP (Fitière IIESFET oxydée] .

I.2 FILIERE !,!IEFET 8UR InP :

La faible valeur de Ia hauteur de barrière Schottky nétal-InP a conduit à orienter les recherches vers Ia filière MISFET, Ie IIESFET constituant le choix pour lrarséniure de gatliurn. I€ problème de dérive et de stabilité des !'IISFETS nrest paa encore résolu à lrheure actuelle, malgré lrénor:me potentiel réuni pour exploiter les nonbreuses possibitités des structures UIs de commande. Les performances des dispositifs réalisés sont conditionnées par leurs propriétés de surface. Lrobtention des surfaces stables themochiniquement nécesslte le développement des techniques de passivation et Ia mise au point drun procédé pour ta réalisation drune couche isolante.

Diverses approches sont possibles l1..zl pour passiver Ia surface et améliorer la qualité de trinterface avant Ie dépôt de Irisolant de griller êD particulier:

colonne _{V {phosphorê=âISêDic).} af in.:de-compenser lerJ.aqUnes de phosphore à Ia surface de lrfnP qui senblent être une cause

inportante des défauts

Croissance drun oxYde formation drune interface cristallochinique est assuré.

natif, qui peut aider à Ia a v e c l r I n P o ù l r a c c o r d

1 ) 2 l

On peut regrouper en deux catégories les solutions adoptés p o u r l r i s o l a n t z

Isolants obtenus par croissance droxyde sur InP. Isolants déposés sur IrInP.

I.2.1 Crol,gsance ôtorydg eur InP :

Divers procédés ont été utilisé afin dtobtenir un oxyde natif sur InP çri sert comme support pour le dépôt de Irisolant de grille. Ces oxydes peuvent être obtenus par des procédés thetniques, électrochiniques (oxydes anodiques) ou en présence des plasnas oxydants. Des couches dro:<ydes peuvent être obtenues par oxydation thernique _[1.3,1.4J du phosphure dtindium entre 340 et 85O oC, mais les faibles résiEtivités

(1011 -1012 osm ) et les phénonènes d'instabillté linitent les possibilités de la technique. Ics oxydes anodiques

t1.5r1.6 rL.71 obtenus à basse tenpérature en Eolution aqueuse permettent la réalisation des couches dléIectriques de résistivité éIevée (fOrZ 1013 Ocu). Cependant la préeence de lreau ( ions OH- ) dans les couches, produit une dégradation danE Ie tempe de lrinterface. Iâ croissance par plasna _[1.81

permet drobtenir des couches de diélectriques natifs nais la résistivité reste trop faible. Lranodisation _{en plasma [1.9] a} augrnenté Ia résistivité sans atteindre les valeurs obtenues par oxydation anodique.

I . 2 . 2 I g o l a n t g d é p o s é g :

Plusieurs diéIectriques ( sio2, À1203' Si3N4, BN, InPyolz' PN, Ge3N4, Bâl-xSryF2 ) ont été déposés sur le natériau InP dans le but drobtenir un interface isolant seni-conducteur à faible densité drétats près de Ia bande de conduction. Ila surface drlnP est particulièrenent sensible à la tenpérature et aux bombardements ioniques, Ie phosphore part à des tenpératures supérieures à 350 "c et aussi lors de Irerçosition aux particules chargées énergétiques rencontrées dans les plasmas. Lê départ des atones de phosphore crée des états de surface qui peuvent être à ltorigine de la dérive obserrrée dans les }|ISFETs, PâË conséquent iI est nécessaire lors de dépôt de lrisolant dréviter drendonnager Ia surface drlnP. Les procédés de dépôt des diéIectriques cvD ( chenical vapour deposition ) et ses variantes PECVD ( plasna enhanced cvD l, IIVC\ID ( ultra violet _{CVD l, LTC\ID ( low tenperature} C\fD

) et LPCVD ( Iow pressure C\tD ) sont généralenent utill.sés, car ils penmettent dropérer à baese tenpérature et à fal'ble énergie. on peut regrouper les principaux résultats dans Ie tableau suivant:

Sio2 - cvD -PECVD

-wcvD

[ 1 0 ] t 1 1 1 LL2 A I 2 0 3 -cvD -Canon à éIectrons [ 1 3 ] t 1 4 l S i 3 N 4 -cvD -PECVD t l s l [ 1 6 ] BN -LTCVD

_{t 1 ? l}

InPyO, -LPCVD _{[ 1 8 ]} PN

-wcvD

_{[ l e ]}

Ge3N4 -PECVD direct _{t 2 0 l}

Ba (1-x) Sr;F2 Evaporation

thermique [ 2 1 ]

9

En 1984 M.Armand et aI tL.22l ont réalisé des transistors MESFETS et UISFETS avec la silice déposée en CVD sur des couches épitaxiées en phase vapeur. lrtalgré les fuites de grille _{(2OOpA à 2.5 v l,} ces auteurs ont privilégié Ia voie MTSFET.

En 1984 K.P.Pande et aI lL.23l ont réalisé de Ia silice déposée par plasma comre isolant ont obtenu des transconductances de 49 nS/nn

un de

I.IISFET avec g r l l l e , i l s

En 1986 À.Àntreasyan InP avec de Ia silice isolant de grille, Ies nS/ nn ont été obtenues.

et aI l1..24l ont fabriqué un E-MISFEI déposée par canon à électrons comme

transconductances atteignent les 2OO

En 1986 Messick et aI _[1.25] ont obtenu une puissance de 4 .5 lÙ/nn à 9.7 GHz avec un UISFET InP avec SiO2 comme isolant d e g r i l l e .

En 1999 P.Dimitriou et ses collaborateurs [1.26] ' ont réalisé avec succès un UfSFET avec SiO2 déposée par tIVgltD conme diélectrigue de grille, une transconductance de IOOnS/nn est obtenue.

I.2.3 lres |,béponèpes 6e dérive daps les ltISFETg IDP 3

Les défauts existant à ltinterface ou dans le diéIectrlque conditionnent la stabilité des transistors UISFETS. Iâ dérive dans les dispositifs InP se manifeste par ltexistence drun hystérésis dans les courbes c-V des strrrctures lils, par la

décroissance variation de

du 1 a

courant de drain en,-fonction du teups -et Ia tension de seuil des transistors.

Différents nodèles ont été proposés pour e:qlliquer les phénomènes de dérive dans les Ii{ISFETS. Wager et al lL.27l ont fait une synthèse des modèIes existants dans la littérature et que lron présente dans les paragraphes qui suivent:

1.2.3.1 Dl-stributLon contl-nue dans lronrda natLf :

Fritzshe _[1.28] a obserrré à la température anbiante une décroissance du courant drain source du transistor fonctionnant en régine drinversion et qui disparait, à basse température (77 K). It explique cette dépendance en tenpérature de Ia dérive par Ie piégeage des porteurs du canal par effet tunnel assisté thermiquenent dans Ie continuum de pièges distribués dans lroxyde près de lrinterface. La densité de pièges dans lroxyde est supposée répartie à quelques W/q au dessus du nininun de Ia bande de conduction de lrInP

1 1

t-ln?

Fig.1-1 :trtodèIe _ProPosé diagranne deE I n P ( P ) , s o u n i s e le phénomène de

p a r F r i t z c h e [ 1 . 2 8 1 ' P o u r l e bandes dtune structure SiO2 / à une tension positive, nontrant dérive. O x r d e n a t i f a a

sn,

a o a a a a a a a a a a a a _a a a o -O5 cY E t a t s d ' i n t e r f a c e

Van Staa et aI lL.29l interprètent leurs mesures de CCDLTS par le piégeage des éIectrons par une distribution spatiale et énergétique des pièges dans lroxyde ( figure L-2 ).

x c ( t l )

Fig. L-22 DlodèIe proposé par Van nontre 1a distribution n a t i f . Semrconductor E c E t p - - - - E t o Staa et aI _tL.29), qui des états dans Itoxyde

I n s u l o t o r

f .2.3,2 Pl.èqeg digcrets dang lroryde natif :

Ics électrons du canal sont piégés par un nécanisme dreffet tunnel assisté thermiquement par des centres Eitués dans la couche droxyde natif comme on peut Ie voir sur Ia figure(l-3). Ce nodèle proposé par l'l.okanura et aI [1.30], basé sur les obserrrations de FRITZSCHE [1.28] de Ia dépendance en température de la dérive, Euppose lrexietence de deux niveaux TRl et TR2 dans lralunine et ltoxyde natif reepectivenent. Le piégeage des éIectrons par IR2 sreffectue par effet tunnel asEisté. Iâ concentration de TR2 est supérieure à celle de TR1

1 3

ce qui rend le piège TR2 responsable des phénomènes de dérive. TRL peut rendre conpte de Ia dérive résiduelle. Ce modèle peut expliquer la dépendance en tenpérature de Ia dérive obserrrée par FRITZSCHE ( figure _{1-3 ).}

TR.2

dtxt"--d'txl io)

rig.l-3: Modèle de pièges discrets dans I'oxyde natif proposé par Okanura [1.30] dans Ie cas d'une

interface AI2O3.

l - 2 - 3 - 3 o r r r d e n a t L f c o n o o s l - t e :

Les oxydes thermiques ou plasma présentent généralenent une couche native drfnPO4 sur le substrat drlnP [1.31], une couche riche en In2O3 est fotmée entre I roxyde natif et I t isolant déposé. Goodnick et al lL.32l développent un modèle anal1Êique basé sur les propriétés physiques de lrinterface isolant semi-conducteur, dans lequel lreffet tunnel assisté thetmiquenent

se p_q_o_duit entre Ia _c_ouche dr_I-4'2o3__el_!_a bende de __cgruluction de lrlnP à travers une couche dtInPO4 à large gap. Ce nodèIe exptique la variation logarithmique du courant drain source en fonction du temps dans les MISFETS InP ( figure _{1-4 ).}

F i g . l - 4 : _{M o d è I e p r o p o s é p a r G o o d n i c k e t a I . tl.321, pour} diagramms de bande d'énergie des structures oxydes natifs sur InP, sounises à une tension g r i l l e p o s i t i v e .

f . 2 . 3 . 1 B t a t g d t i n t e r f a c e ( D . I . G . 8 I :

Hasegawa et aI [1.33J ont proposé un modèIe dans lequel les états de surface associés à une couche non stoechionétrique formée à la surface du semi-conducteur sont responsables des différentes anonalies dans les propriétés dynaniques des structures l.ls et l,trs. Dans ce modèle, le continuun drétats

l e à de

1 5

drinterface situé dans toute Ia bande interdite formé par une couche non stoechionétrique interfaciale est responsable

,U"= phénomènes de dérive dans les UfSFETS InP. Les auteurs interprètent leurs résultats dtIgIS _[1.34] et Ie conportement du transitoire obserrré sur les strrrctures ÀI2O3-oxfde natif-InP par la capture des électrons par un continuun drétats dtinterface due à Ia couche interfaciale désordonnée.

I.2.3.5 saut ôe lacunes de pbospbor€ (Vpl vsrs f€urs pfus procbe vol.gLns (Van Vecbten - lagerr I

D a n s c e m o d è I e p r o p o s é p a r V a n V e c h t e n e t a l [ 1 . 3 5 1 1 . 3 6 1 pour expliquer les phénomènes de dérive dans les UISFETS fnP, on suppose que lrun des quatres atomes voisins de la lacune de phosphore Vp saute dans le site, l'annihilation _{de tVpl crée} un nouveau défaut conplexe, une lacune drindium et un défaut antisite Inp. La réaction globale (Vp+ + 4e -> VIn-Inp-2) nécessite quatre électrons, ce qui est possible quand la structure UIS est en régine draccunulation. Van Vechten et al proposent les différentes étapes suivantes avec les constantes de temps et sections de capture associées:

vP* * vpo r=1 ps 6=ag'L2 q2 r = 0 . 5 s 6=ag-24 cm2 vpo VInInpo vlrrornpo + e (vrnrnP) -1 r=1 ns sr=1g-15 "r2 (vlnlnp) -1 + ê -) (vlrrrnp) -2 _{r=3 ,rs} o = 2 . g * 1 g - 1 8 s m 2

(Vlnlnp) -2 + ê -) (V1rr-Inp-2t r=8 ms

Draprès ces auteurs, êD dépIétion, produit en sens inverse avec une cinétique

o = 7 . 6 t r L O - 2 1 c m 2

cette réaction s i n i l a i r e .

I.2.3.6 PLàges dans le volume du e€pL-conducteur :

Ce modèIe a été proposé par Meiners [1.37], qui suggère que la dérive peut être due au piégeage des électrons par des centres situés dans re volume du seni-conducteur. La dépendance en température du courant de drain peut être expriquée par Ia capture des érectrons par un mécanisme nultiphonon.

II est difficile de choisir actuelleurent entre ces rnodèIes. I1 nrexiste pas de preuves expérimentales pouvant confirmer ou i n f i r : m e r , I r u n o u I r a u t r e d e c e s modèIes.

I.3 FII,IERE TIESFET 8I'R InP 3

r€ transistor à effet de champ nétar rnp nrest pas encore un concurrent sérieux de celui développé sur GaÀs car les hauteurs de barrière schottky fomées sur rnp sont faibles

(0.4r0.5 _{eV ) par rapport} à celles rencontrées sur GaÀs (0.8r0.9eV). Ces faibles valeurs inpliquent des courants de fuite relativement éIevés par exenple (1-3 nÀ) pour une t e n s i o n i n v e r s e d e - 5 V [1.38].

L7

I.3.1 Barrièreg Sahottkft eur InP :

Les hauteurs de barrière Schottky obserrrées sur les surfaces de InP(n) exposé à Irair avec différents nétaux ( A g , C r r C u r A u r P d r l l n r S n r À l r N i ) s o n t f a i b t e s e t v a r i e n t d e 0 . 2 8 à 0 . 4 5 e V [1.39] cornne on peut Ie voir sur le tableau L.2 gtti résume les valeurs nesurées sur des substrats drInP(n), préparés par nettoyage chinique (CE) ou par clivage sous vide

(Ac) . T a b l e a u 1 . 2

os( ev )

METAL AC CE À9 Cr Cu Àu Pd lr[n S n A1 N i 0 . 5 4 o . 4 5 o . 4 2 o . 4 2 0 . 4 1 0 . 3 5 0 . 3 5 o . 3 2 5 0 . 3 2 0 . 4 5 0 . 4 5 o . 3 9 0 . 4 5 0 . 4 1 5 0 . 3 3 o . 2 8 o . 3 4 o . 3 2

que jour Ie type _{rl_ [1.40]. DlaUtres_ !a_rt,} la barrière ne semble pas ou peu dépendre du travail de sortie du semi-conducteur. Spicer _{et al [1.39]} considèrent que les valeurs de barrières nesurées sur f nP (n) ( LlO) avec _{AI ,} !,tn et Ni dépendent de Ia présence de vacances dtindium et des antisites Inp et PIn qui favorisent la diffusion du phosphore et if relie les barrières nesurées avec 49, Cu, Au et pd aux vacances de phosphore qui favorisent la diffusion drindiun.

I.3.2 Àugmentation ôe Ia barrière Schotthy par traitenent de I a s u r f a c e ô r I p P 3

La hauteur de barrière peut être augrmentée en incoryorant une couche dfoxyde natif entre Ie nétal et Ie semi-conducteur. W a d a e t M a j e r f e l d _{[ L . 4 1 ]} o n t o x y d é I ' I n P d a n s l r a c i d e n i t r i q u e en phase liguide sous illumination. La barrière croît de 0.49 à 0.94 eV. C.MicheI et al _lL.42l ont obsenré que les hauteurs de barrière augmentent égalenent jusqutà _{O.7S eV par oxydation} de la surface par IINO3 en phase vapeur.

K.Kamimura et aI [1.43] ont trouvé qurelles augmentaient jusqutà 0.83 ev avec introduction drune couche native préparée avec lreau de brome.

Par lrintroduction drune couche native obtenue par plasma RF oxygène, Ogrura et al _[1.44] obsenrent lraugrmentation des b a r r i è r e s Jusqurà 0.66 eV.

S.Loualiche et al [1.45] ont obtenu, par oxydation chinique la surface drlnP au moyen dreau desionisée bouillante et de solution H2O: NH4OH :H2O après préparation initiale HF, des

de Ia

1 9

barrières de 0.76 eV sur Au-InP.

Y.S.Lee et aI [1.46] ont réalisé des contacts Schottky sur une surface oxydée chiniquement. Lroxyde natif obtenu a un indice de réfraction qui correspond à lroxyde nixte fn2O3 + InPo3. La barrière Pd-InP est augrmentée jusgurà O.8O eV.

l!.P.Besliand et aI lL.47J ont étudié lraugrmentation de la hauteur de barrière par la formation drun phosphate condensé mince de type In(PO3)3 formé par oxydation anodique dans lreau pure. Ils ont obsenré une augfmentation de Ia hauteur de b a r r i è r e d e O . 4 9 à O . 8 e V .

Les premiers T.E.C à barrière Schottky ont été réalisés par J.S.Barrera et aI _[1.38J sur des couches LPE selon une technique similaire au FET GaÀs et ont montré que les

fréquences de coupure du gain en courant étaient supérieures à celles du GaÀs. Les fuites de courant de grille sont éIevées, nalgré cela des fortes transconductances, lOO nS pour une grille de 500rrn, ont été obtenues.

En Lg82 M.Ogura et al [1.44] ont fabriqué des UESFETS sur des couches épitaxiées par MOCVD sur des substrats drlnP

seni-isolants dopé fer. Les courants de fuites sont réduits à moinE de 80pÀ à 8V, et Ia transconductance est de 90 nS/run avec une nobilité du canal de 2500 æ21v.s.

En Lg87 Loualiche et ses collaborateurs [1.45] ont réalisé des MESFETS sur des couches inplantées Si pour lrInP par augrmentation et stabilisation de Ia barrière Schottklt à 0.76 eV. Les transistors réalisés ont des caractéristiques stables

et des transconductances atùeigrnant'Îûû-ns/nm.

f . I CONCLI'SIOII

rË passivation de la surface drrnp est un domaine drinvestigation dans de nonbreux laboratoires. Ies isolants déposés sur le phosphure dtindiun sont loin dratteindre ra qualité de sio2 sur siliciun. plusieurs uécanisnes sont responsables _{des phénonènes de dérive dans res MrsFETs, qui ne} peuvent pas être expriqués par un modère unique. une des sorutions envisagées est de transformer la grirle urs de commande en grille DtS oxydée possédant une couche interfaciale mince pour fabriguer un I|ESFET à faible courant de fuite.

2 L

RE]rERENCBq

t 1 . 1 1 F . D e l o r m e ' C . K a z n i e r s k i , G . P o s t , J . S e m o e t J . B o u l a y ,

ItCircuit _{intégré optoélectronique InP laser-MISFET} 1.3 pm à haute fréquence de nodulationfl

Journées nationales microélectronique fII-V Aussois, 12-14mars

1 9 9 0 t L . 2 l P . V i k t o r o v i t c h , J . E l e c t r o c h e m . s o c - L 3 6 , 1 4 3 1 ( 1 9 8 9 ) t 1 . 3 1 J . F . W a g l e r , C . W . W i l n s e n ' J . A p p l . P h y s . 5 1 ' 8 L 2 ( 1 9 8 0 ) t 1 . 4 1 c . w . w i l m s e n , T h i n S o l i d F i l m s 3 9 , 1 o 5 ( 1 9 7 6 ) t 1 . 5 1 H . H a s e g a w a , H . L . H a r t n a g e l , J . E l e c t r o c h e m . s o c - L 2 3 ' 7 L 2 ( L e 7 6 l t 1 . 5 1 Y . R o b a c h , J . J o s e p h , E . B e r g i n a t , B - C o n n e r r e ' c . H . H o l l i n g e r e t P . V i k t o r o v i t c h , À p p l . P h y s . I € t t . 4 9 ' 1 2 8 1 ( 1 e 8 6 ) t L . 7 l J . J o s e p h , A . l t a h d j o u b e t Y . R o b a c h , R e v - P h y s . A p p l . 2 4 , 1 8 9 ( 1 e 8 e ) t 1 . 8 1 K . K a n a z a w a , H . M a t s u n a m i , J a p . J . A p p t . P h y s - 2 0 , L ? L L

( r.e8r.)

t 1 . 9 l T . F u z u k i , S . M o r i u c h i , H . M a t s u n a n i , J a P . J . À p p I - P h y s - 2 2 , L 5 7 4 ( 1 e 8 3 ) t 1 . 1 O I D . F r i t z s c h e , E l e c t r o n . L € t t . L 4 , 5 1 ( 1 9 7 8 ) [ 1 . 1 1 ] L ' . G . l l e i n e r s ' J . V a c . S c i . T e c h n o l . 2 L ' 6 5 5 ( 1 9 8 2 ) [ 1 . 1 2 ] P . D i n i t r i o u , E . M R S v o I . X I I L 7 - 2 O J u i n S t r a s b o u r g , 1 9 8 6 t 1 . 1 3 1 l t f . O k a n u r a , T . K o b a y a c h i , J a p . J . A P p l . P h y s - 1 9 ' ? L S L ( L e 8 o ) [ 1 . 1 4 ] S . S a u t r e u i l , B . B a i t l y , R . B l a n c h e t , l [ . G a r r i g r u e s e t P . V i c t o r o v i t c h , R e v . P h y s . A p p l . 1 8 , ' 1 6 9 ( 1 9 8 3 ) t 1 . 1 5 1 K . P . P a n d e , v . K . R . N a i r , D . G u t t i e r r e z , i l . A p p l - P h y s - 5 4 ,

5 4 3 6 ( 1 9 8 3 )

[1.16] P.G.Young, V.J.Kappoor, Proceeding on the slmposiun on dielectric firms on conpound seniconductors Honoruru, Hr, U.S.A, L8-23 oct L987 (Penington, N.J, U.S.À, Electrochem soc 1 9 8 8 ) pp, 151-179

[ 1 . 1 7 ] E . Y a n a g f u c h i , M . M i n a k a t a , J . A p p l . p h y s 5 5 , 3 O 9 B ( 1 9 9 4 ) [ 1 . 1 8 J H . L . C h a n g , L . G . M e i n e r s r C . J . S a A p p l . p h y s . L € t t . 4 g , 3 7 5 ( 1 e 8 s )

[ 1 . 2 0 J G . A . J o h n s o n , V . J . K a p o o r , P . Y . Y o u n g P r o c e e d i n g o n t h e slmposiun on dielectric filns on compound semiconductors H t n o l u l u , H f , U . S . A , L 8 - 2 3 o c t L 9 A 7 ( P e n n i n g t o n , N J , U . S . A , Electrochen.SOC 1988) 57-7O

[ 1 . 2 1 ] T . K . P a u l e t D . N . B o s e , J . À p p l . P h y s . 6 7 , 3 7 7 4 ( 1 9 9 0 )

lL .22 ] U. Àrmand, _{D. V. Bui ,} J . Chevrier et N. T. Linh, Revue technique Thomson CSF VoI16, 47 (1984)

[ 1 . 2 3 ] K . P . P a n d e e t D . G u t i e r r e z S o l i d S t a t e E l e c t r o n . 2 A , 1 0 4 5 ( 1 e 8 s )

tL.24 J A.Antreasyan, P.A.Garbinski, V.D.Mattera et H.Tenkin À p p l . P h y s . L e t t 4 9 , 5 1 3 ( 1 9 8 6 )

[ 1 . 2 5 ] L . I { e s s i c k , D . À . C o l l i n s , R . N g u y e n , A . R . C l a w s o n e t G.E.Mc WillianE, in IEDl,t Tech.Digest, 767 (Los Àngeles 1996).

lL.26l P.Dimitriou, À.Falcou, P.Krauz, G.Post et A.Scavennec, sPrE vor.1144 rndiun phosphide and rerated materials for advanced electronic and optical devices, 297 (1989).

lL.27I J. Fllager, S.J.T.Owen, S.J. Prasad, J.Electroctrem. Soc. L 3 4 , 1 6 0 ( 1 9 8 7 )

[ 1 . 2 8 J D . F r i t z s c h e , I n s t . P h y s . C o n f . S R T . N . 5 0 , 2 S g ( 1 9 8 0 ) l L . 2 9 l P . V a n S t a a , H . R o m b a c h e t R . K a s s i n g , il.Àppl.phys.54, 4 0 1 4 ( 1 e 8 3 )

2 3 [ L . 3 0 ] ] f . O k a m u r a e t T . K o b a y a s h i , J a p . J . A p p I . P h y s . 1 9 , 2 L 4 3 ( 1 e 8 0 ) t 1 . 3 1 1 J . F . W a g e r , K . I t l . G e i b e t C . W . I f i l n s e n , J . V a c . S c i . T e c h n o l . B ( 1 ) , 7 7 8 ( 1 9 8 3 ) [ 1 . 3 2 ] S . ] l . G o o d n i c k , T . H w a n g e t C . I f . t f i l n s e n , À p p t . P h y s . I € t t 4 4 , 4 5 3 ( 1 9 8 4 ) [ 1 . 3 3 ] H . H a s e g a w a e t H . O h n o , J . V a c . s c i . T e c h n o l . 8 4 , 1 1 3 0 ( 1 9 8 6 ) t L . 3 4 I H . H a s e g a w a , H . M a s u d a , L i H ê , J i - K u i L u o , T . S a w a d a e t H.ohno, Proceeding of the slmposiun on dielectric filns on compound semiconducteurs Hanolulu, Hf, U.S.À., L8-23 oct. 1987

( P e r i n g t o n , N J , U . S . A . , E l e c t r o c h e n . s o c . 1 9 8 8 ) 2 O 3 - 2 L 6 t L . 3 5 1 J . A . V a n V e c h t e n e t J . F . I i l a g e r , J . A p p l . P h y s . 5 7 ' L 9 5 6

( r . e 8 s )

t L . 3 6 l M . T . J u a n g , J . F . W a g e r e t J . A . V a n V e c h t e n , J . E l e c t r o c h e m . S o c . 1 3 5 , 2 L 9 , ( 1 9 8 8 ) [ 1 . 3 7 ] L . G . M e i n e r s , J . E l e c t r o c h e n . S o c . 1 3 3 , 3 7 2 ( 1 9 8 6 ) [ 1 . 3 8 ] J . S . B a r r e r a , R . J . À r c h e r , I E E E T R A N S . E D 2 2 N ' 1 1 n o v . L 9 7 5 , 1 0 2 3 - 1 0 3 0 [ 1 . 3 9 ] N . N e w m a n , T . K e n d e l e w i c z , L . B o w m a n e t w . E . S p i c e r , A p p l . P h y s . L e t t . 4 6 , L L 7 6 , ( 1 9 8 5 ) [ 1 . 4 O ] N . N e w m a n , M . V a n S h i l f g a a r d e e t W . E . S p i c e r , P h y s . R e v . B ( 3 5 ) , 6 2 9 8 , ( 1 9 8 7 ) [ 1 . 4 1 ] O . W a d a e t À . ] l a j e r f e l d , E l e c t r o n . L € t t L 4 , L 2 5 ( 1 9 7 8 ) l L . 4 2 l C . U i c h e l e t J . J . E h r h a r d t , E l e c t r o n . L e t t . 1 8 ' 3 O 5 ( 1 9 8 2 ) [ L . 4 3 ] K . K a n i m u r a , J . S u z u k i e t À . K u n i o k a , J . A p p l . P h y s . 5 1 , 4 e o s ( 1 e 8 0 ) l L . 4 4 l U . O g u r a , K . I n o u e , Y . B a n , T . U n o r l t l . M o r i s a k i e t N . H a s e , J a p . J . A p p I . P h y s . 2 L , L 5 4 8 - 5 0 ( 1 9 8 2 ) [ 1 . 4 5 ] . S . L o u a l i c h e , H . L r h a r i d o n , A . L e c o r r e , D . L € c r o s n i e r e t

M. Salvi, _{Àpp,I . Phys . Let_q. 52 ,54O, ( 19__q8_I _ _}

[ ] . . 4 6 1 Y . S . L e e e t V l . A . À n d e r s o n , J . A p p l . P h y s ; 6 5 , 4 0 5 1 ( 1 9 8 9 ) t L . 4 7 I U . P . B e s l i a n d , Y . R o b a c h , P . L o u i o s , J . J o s e p h ,

rrEtude de lraugrmentation de la hauteur de barrière Schottky sur InPrr. Journées nationales microélectronique fff-V CNRS, Àussois, L2-L4 mars 1990 [ L . 4 8 ] S . K . K r a w c z y k , L r o n d e é I e c t r i q u e v o l . 6 7 , N " 2 , 4 L , L 9 A 7 . [ 1 . 4 9 ] C . ! { . W i l m s e n , J . F . I { a g e r , K . l { . G e i b , T . H w a n g , T h i n s o l i d f i l n s 1 O 3 , 4 7 ( 1 9 8 3 ) I I . 5 0 ] B . B o u c h i k h i , C . M i c h e l , C . B o u t r i t e t B . L e p l e y , R e v . P h y s . A p p l . 2 2 , 8 8 1 ( L 9 8 7 ) . [ L . 5 1 ] P . À I n o t , I e v i d e l e s c o u c h e s m i n c e s N " 2 5 L , 5 L ( 1 9 9 0 ) . [ ] . . 5 2 ] C . W . W i l m s e n e t c . Y . R o b i n s o n , r r P h y s i c s and chemistry of IfI-V conpound semiconductor interfacestr Plenun press 7 3 , ( 1 9 8 5 )

[ 1 . 5 3 ] L . G . M e i n e r s , À . R . C l a w s o n e t R . N g u y e n , A p p l . P h y s . L e t t 4 9 , 3 4 O ( 1 9 8 6 )

2 5

CEAPITRE II

pEFnurs PBpFOtrps .Fr SSFCTROSCOPrE TRâNsrrOrRB pE CAPACTIE

rI.1. IUITRODI'CTION

r.es défauts ponctuers ou conplexes introduisent des niveaux profonds dans les seni-conducteurs _{et peuvent liniter} les perfornances des dispositifs électroniques. ces centres profonds déteminent _{par exemple la durée de vie des porteurs} minoritaires injectés _{dans la zone de charge drespace drune} jonction _{et agissent sur la caractéristique directe et le} temps de conmutation du dispositif. rrs peuvent être responsables drune conposante du courant suppténentaire et nodifient égarement lrinpédance de ra jonction _sous polarisation inverse. r,a présence de ters niveaux dans re gap du semi-conducteur est tiée à rrexistence des imperfections dans le cristal qui apparaissent avec les défauts de la structure et la présence dtinpuretés. ces défauts électroniquenent actifs se distinguent par res phénonènes physiques mis en jeu et reur interaction avec les bandes drénergie (pièges à porteurs centres de génération recombinaison). rrs sont caractérisés par reurs énergies dractivation et reurs sections efficaces de capture. ces défauts peuvent être à lrinterface ou en volume du seni-conducteur.

2 7

II.2 DBFIIITIS PROFONDS ET 9INETIOqE DE CIP,|TIIRE:

II.2.1 Bulgeioa et capture deg Dorteurg p,ar les nivqaux profondgs

Dans un semi-conducteur à lréquilibre thermodynamique' Ies concentrations drélectrons et trous libres danE Ia bande de conduction et de valence ng et P0 sont bien déflnies. En excitant le matériau semi-conducteur 1l est possible de créer des porteurs excédentaires. En arrêtant le _Processus drexcitation, Ies deux tlpes de charges disparaissent en se recombinant. Cette reconbinaison peut se faire directeuent avec restitution de lrénergie par énission de photons' phononsr ou de porteurs excédentaires (effet Àuger) ou

indirectement par I I intemédiaire des niveaux localisés dans Ia bande interdite dts aux inperfections cristallines. La théorie de ce Processus a été développée par Schockley, Read et HaII, êt fait intenrenir les paranètres caractéristigues des centres ( concentration NT, énergie du niveau &1r' coefficients cinétiques de capture et drémission ). Pour

faciliter lranalyse on supPose gutil existe un seul type de piège, il sragit soit drun centre donneur soit drun centre accepteur.

(ou

Ec

Ev

Fig.2-Lz _{phénomène de capture et drémission des porteurs} par les centres pièges: a) capture des électrons _{de Ia B.C, b) énission aei étectrons} vers la B.C, c) capture des trous de la B.V, d) énission des trous vers la B.V.

probabirité droccupation _{drun centre par un électron} trou) est définie _{par la fonction de Femi-Dirac:}

f T = Iâ un

,+expt%*]

( 1 ) ( 2 1 a compensation entre droù Ia concentration des

ll1 = Nf*ff

centres pleins :

A I I équilibre thermodynamique, if y ltémiEsion et la capture des éIectrons :

2 9

o o = K ,

_{n o * * o [ +]}

( 4 )

TT.2.2 elnétLtnre de capture et d,ténl'ggLon:

La variation de la concentration Ies bandes permises résulte de deux I | émission.

des porteurs nécanismes: Ia

Iibres dans capture et

La cinétique de ces mécanisnes est donnée pars

dfr.

dt = ( n c o + e o ) - f r ( n c D + € a + P c o + e o )

Supposons que les concentrations n et constantes dans Ia z-c.E, I t intégration différentielle conduit à: q ( t ) -[ nr ( 0 ) - tu ( æ ) I exp ( ' tlr) + q ( æ ) ( 5 ) p soient nulles ou de cette équation ( 6 ) ( 7 1 ( 8 )

q(æl-W

_{n c n + o n * P C P + e P}

cag ôcg piàqea à Ôlcctroug: a) capture conPlète avec n c n + e n t P c P + e P q ( t ) - N r o x p ( - e o t ) b) capture incomPlète

( e )

n T ( t ) = N r e x p ( -. " , r . , - e x p (

" ; ; ; ; ( 1 0 ) rr.2.3 ltécaaisues de capture et tréplgslon non radlatifsr

r.es interactions défaut-réseau cristarlin régissent ra capture, lrémission ou la recombinaison drun porteur par un centre. râ dissipation drénergie lors drune transition radiative peut être expriquée par plusieurs mécanisnes physiques dont, les trois principaux:

- processus Àuger

- processus par cascade

- processus par énission nultiphonons

Lrénergie perdue par Ie porteur capturé dans Ia capture Àuger excite drautres porteurs dans re cristal. Draprès Henry et aI [2.3], Iteffet Auger entre les porteurs libres et un défaut profond ne dépend pas fortenent de la température. r.ê processus de capture par cascade correspond à un mécanisme où rrérectron tonbe dans une série de niveaux très proches quand il perd lrénergie lors de Ia capture. _{Draprès Lax L2.4J ce} processus peut donner rieu à des sections de capture relativenent élevées (ro-rr sm2 10-12 q2 _{) à très} basse tenpérature. _{cependant draprès Henry et al [2.3] ce méeanisne} ne peut pas e:çliquer Ia capture non radiative par les niveaux profonds.

3 1

PROCESSUS MUI,TIPHONONS :

Quand Ie réseau vibre le niveau du défaut parcourt Ie gap et la capture non radiative a lieu parce que lrénergie du niveau profond dépend de la position du défaut et des atomes voisins.

La coordonnée de configuration A représente Ia déformation élastique du réseau. Par suite du couplage électron-noyau lrénergie électronique Ee est fonction de la position à Itéquilibre des atomes voisins.

E " - E o - K ' Q ( 1 1 )

E9 est lténergie électronigue du systène sril nry a pas de relaxation du réseau. Kr est une constante.

Lrénergie totale du systène est Ia sonme de lrénergie éIectronique et Irénergie éIastique.

E t = E " + K q z / 2

où K est la constante de force.

( 1 2 )

Avant Ia capture drun éIectron, Ia posltion dréquillbre du niveau est près de Ia bande de conduction. Pour des vibrations suffisanment larges ce niveau peut croiser la bande de conduction et capturer un électron. Après la capture, Ie réseau avoisinant Ie défaut relaxe et le défaut commence à vibrer, Irénergie localisée sur le défaut apràe Ie

piége_age de I | éIectro_n se _{Qissi.pE pgr_ -des phonotts} après atténuation des anplitudes de vibration.

Df après Henry et aI t2.31 , est proportionnelle au produit

section efficace de capture trois probabilités: après sa capture de la bande de Ia forme 3 l a de o c Py15 Pct Ptt

Prr15 est la probabilité _{pour çlue des vibrations} dramplitudes suffisanment éIevée aient lieu.

Pct est la probabilité pour que lors du croisenent des deux bandes une transition de capture ait tieu.

Ptt est la probabilité pour que ltélectron ne soit pas de nouveau énis dans un état conduction.

Pour un défaut neutre attractif, pvib est de

AEo est Irénergie nécessaire pour Ie croisenent quand Irétat Iié au défaut nrest pas occupé.

P , i u a * o [ +]

efficace de capture peut se t \

l - q a r " ;

I

K T J

mettre Bous la ( 1 3 ) Ia section forme: OD r O@ exp DLagrenæ to coalLguntl.oa : Ies fonctions confl.guration. on sf(a) définissent les représente sur un

les courbes diagranne dit

de de

3 3

configuration, A est Ia coordonnée généralisée dite de configuration.

Eo E1 Avant capture Après capture

ti

t;

(Ec) (Erl

barrière thernique pour la Iee énergJ.es d'activatLon leE énergLes d'actl.vation

ÂEc Err E p r l

t;

l l

tl

ll

(Ev \

H

l.j

E: ! r l l Q.' G[ -@

Fig.2-2t Diagrarnne de configuration. (Ef) est l'énergie du défaut plus I'éIectron piégé. Ic ninlnun de

(E1') est déplacé à cause de la relaxation du réseau lorsque l'éIectron est plégé. Iê schéna (a) montre connent Ia capture non radiatLve des électrons se produit.

ôEo représente la captule

- -ôtrro _{et ôEpo sont} optiques.

ôEn et ôEp eont thernlques.

3 5

II.3 CÀRACTBRISAIION PâR DLTB I

Les défauts dans les seni-conducteurs peuvent être étudiés par différentes techniques expérinentales tel que la photocapacité _12.5j, Ia TSCAP (capacité stinulée therniquement) _{1,2.61 , TSC (courants} stinulé thetmiquernent)

12.71. La spectroscopie des niveaux profonds DLTS (deep level transient spectroscopy) est largement utilisée pour les détecter et les analyser. Les premiers résultats ont été publiés _{par LAI{G 1.2.81 qui a utilisé} un boxcar moyenneur pour établir Ia fenêtre de vitesse drénission dranalyse du transitoire. Puis Ie corréIateur e:rponentiel _L2.9I et la détection synchrone _[2.10] ont été proposés en alternative avec le boxcar.

II.3.1 PrLnoLoo dc It DLT8 3

La spectroscopie DLTSr pâE un balayage thermique du transitoire de capacité, permet un traitenent efficace des

infor:mations qui y sont contenues. La capacité de Ia jonction est analysée dans le régine de déplétion lors du retour à Iféquilibre thernique du niveau. Le principe de base de la DLTS auppose que les pièges soient initialenent remplis.

Lréchantillon est polarisé par une tension pértodique inpulsionnelle de période T et de largeur tp.

a

c (t)

t-l

ii

b

c(r2l Y c l t t l

Fig.2-32 Schéma illustrant IeE eéquences (néthode de lang) : a) de la polarisation, b) du transitoire de

de Ia DLTS tension de capacl.té.

3 7

- Pendant lrinpulsion _{[O à tp],} Ies pièges se renplissent par la capture de najoritaires ou de minoritaires suivant le c a s .

- De tp à T les porteurs piégés sont réémis.

La variation de périodique de période

capacité apparait conme un signal

De O à tp la capacité correspond au remplissage des pièges.

- De tp à T, eIIe varie selon une loi représentée par une somme drexponentielles lorsque plusieurs tlpes de défauts, sans interaction existent dans Ie substrat ou à lrinterface, et srexprime par la relation :

c ( t ) = C o * ? " i ( 1 - e x p ( - e n i * t ) ) ( 1 4 )

où eni est Ie taux dtémission drun éIectron par Ie iène centre présent, C1 est lranplitude du signal transitoire produit par Ie centre i. Le problème est de déterniner, à partir de C(t) Ie nonbre drexponentielles, Iranplitude C1 et Ia constante de chacune drelles. Ci et erri sont en effet les deux grandeurs gui contiennent les informations physiques sur les défauts.

Ils existe plusieurs néthodes pour obtenir les termes (C1ren1). On peut _, pâr exenple, ajuster Ie sigrnal transitoire de capacité au sens des moindres carrés en utilisant le nombre dre:çonentielles fixé à priori _{t2.111 . Iâ}

I a T .

méthode habituerre _{suppose un sign3rt exponentiel unique droir} I f e x t r a c t i o n _{f a c i l e des termes' (Clren1)}

r'€ principe _{de cette néthode est basé sur Ie concept de} fenêtre de vitesse _{drémission. r€ transitoire}

de capacité peut être obserrré sur un capacinètre rapide. un doubre boxcar moyenneur est utilisé _{Pour sélectionner la fenêtre de vitesse} drénission, _{et petrret Irextraction}

du signal du bruit donc Ia détection de faibles concentrations

r,e signal _{DLTS est ra différence}

entre deux échantilrons pris _{à des tenpératures T aux}

instants _{t1 et t2 du} t r a n s i t o i r e _{c ( t , ) .}

Y = A C ( t r ) - A C ( t z ) = A l e x p ( - e o t1 ) - exp( -eo tz _{) I ( 1 5 )}

r'ors drun barayage en.tenpérature, _{re signar y passe par} un maxinum ( figrure 2-4, .

La dérivée dy(T)/d' _{est nurre à une tenpérature T* ou err*} est la vitesse drénission naximale.

e o ' = L n l t z / j r )

Dans notre cas

""'= #

( 1 6 )

3 9

ih

k

-n-t-t l -n-t-t g

Fig.4-22 sc-héma nontrant I'aIIure du transitoire et le =tgtt"1 DLTS résultant' Iors du balayage en temPérature'

A chaque couple de valeurs (t1,tz) correspond un couple (en*rT*). r.€ tracé drArrhénius rn(err* / t*2) en fonction de 1OOO / T* pemet de déterminer lrénergie dractivation et Ia section efficace de capture. Ltanplitude maximale permet dtévaluer Ia concentration de chaque tlpe de défaut'

C e t t e n é t h o d e p r é s e n t e q u e l q u e s i n c o n v é n i e n t s : L e r a p p o r t s i g n a l s u r b r u i t e s t n a u v a i s ' a u s s i l a

déterminati.on des valeurs du signal doit être améIiorée en moyennant Ptusieurs mesures'

I - € s i g n a l e x p o n e n t i e l e s t c a r a c t é r i s é P a r d e u x

échantillons pris à des instants différents, ce qui correspond à une perte dt informatlon importante au nLveau du

s i g n a l .

- Les pics dont, ou supérieure à t2 spectre.

la constante de ternps est inférieure à t1 ne peuvent pas être observé dans Ie

Quand deux niveaux sont proches par leurs énergies dtactivation et sections de capture, ils ne peuvent pas être r é s o l u s [ 2 . 1 1 ] .

Pour Irextraction des paramètres physigues caractérisant _{Ie défaut on prend les couples 1 err*,T* ) qui} ne permettent pas de reconnaître si le transitoire dépend exponentiellement du temps crest à dire si Ie niveau drénergie érectronigue du défaut est discret ou formé drune bande d!énergie ayant par exemple une densité drétats de distribution gaussiènne en fonction de Iténergie.

EIIe nécessite plusieurs remontées en température ou rrenregistrement à une température donnée de plusieurs vareurs du signal Y pour différentes vitesses dtémission.

4 L

1 I . 3 . 3 D i s p o s i t i f e x p é r i n e n t a l :

Le schena synoptique de Ia figure 2-5 en donne les éIéments essentiels:

Générateur de tension en impulsions: qui permet de fournir Ia polarisation et une tension périodique associée à un signal de fréguence lMllz.

Capacimètre rapide: permet Ia mesure de Ia capcité transitoire au cours du processus drémission.

CorréIateur 1: fixant la fenêtre tl, |-,2:, la vitesse d t é m i s s i o n e s t ê n = I / ( 4 . 3 x t L ) .

Générateur CorréIateur 2z celui-ci fournit une seconde impulsion, Ies transitoires sont analysés par Ie corréIateur, cette fonction est utilisée en double DLTS (DDLTS).

Cryostat: Les échantillons à étudier sont placés dans Ie cryostat ou leur température peut varier entre 77K et 3 2 0 K .

POtÀRISÀlION

n

i1

TRÀNSITOIRE-. a 7

r'

C E N E N À l E U N cÀPACtXEInE N À P I D E ( l 0 u r ) coPnEttilEUn (DOUETE _EOrCÀr)

cn!osur

E

Ecbanllllon Y o l t n f l n )

I (x)

Vollnflr

r (pF)

€ P I D G P I B

ÎnÀcBun I-r

I

Bt]

e P t t o l:l

'll

t

Fig.2-5 : Schéna synoptique du dispositif de mesure DLTS (technique boxcar).

4 3

II.3.l. Irtétbode à détection gyncbrone :

Lranalyse du transitoire de capacité utilisant Ia détection synchrone a été proposée initialement par Kinmerling _[2.1O], cette néthode est améliorée par Day et aI l2.L2l en prenant en considération Ie temps de réponse du capacimètre t6 dans Ie calcul du signal de sortie de lramplificateur. Le principe de mesure est le suivant :

( 1 8 )

Où C(t) est Ie transitoire de capacité, w(t) est Ia fonction dtanalyse du détecteur synchrone.

Pour les concentrations N1 système est donné par !

..Ts + Tso

y = I I

c ( t ) w ( t ) d t

1 s JTso

"=ffi[,-*,t

*]]'

Au naximum du pic : ( l e ) ( 2 0 ) eo' = 2.231o

v,

a

C ( t

f - - - - r I I t I

-b

I I

G

Fig.2-6 : rrlustration _{des séquences de la DLTS (néthode} à détection synchrone), _{a) tension-- de} polarisatlgtt, _{b) transit'oire àe}

""p-à"-rtè, c) fonction d'anaryse du détecteur synchirone.

4 5

LranalYse ProPosée Par Lang paranètres caractéristiques

dractivation aPParente AE6 e' t Ia oo à partir de Ia relation:

consiste à déter:miner les des Pièges, lrénergie section efficace de caPture

e o - Ç o - f e x P

selon Ia procédure décrite dans Ie paragraphe IT'3'2

D | a u t r e s n é t h o d e s n u n é r i q u e s | 2 . L 4 ' 2 . L 5 ] o n t é t é

p r o p o s é e s Ç t u i r p e r : m e t t e n t à p a r t i r d r u n s e u l s p e c t r e D L T S d e

calculer lténergie dractivation apparente ôEa et la section efficace de caPture.

L,e signal DLTS Peut s | écrire :

Y - A I e x P ( ' Y / x ) - e x p ( - Y ) I

( 2 1 )

a v e c x = t 2 / t t t Y = e n t 2

En normalisant Par rapport au naximum on a

e ( t ) =

t+l

[-J*'

I

À t fixé, cette éqqatlon _{a pour unique inconnue. y car x} est connue et e (t) est déterminée expérimentalement. _En résolvant nunériquement cette équation en(T) peut être déduite pour différents points expérinrentaux et res paramètres Â86 et o- tirés du diagranme drÀrrhénius

f I . 3 . 5 . 2 . 2 . _{l , t é t b o d e ô e À . V , V a s i l r e y f 2 . 1 5 1 !}

Le signat _{DLTS y peut se mettre sous la forme :}

Y = A S ( t ) _{( 2 3 )}

a v e c _{S ( t ) = e x p ( - € r , t l ) - e x p ( - e o t z ) ( 2 4 )}

I f é q u a t i o n 2 4 s r é c r i t :

c ù . n = e x p ( - e n t 1 ) - exp( - eo x t1 ) _{( 2 s )}

Où x = tZ/t-t, ot est un (0<o<1), êt S, la valeur maxinale

1 x S - - 1 f - r - a E

coefficient sans dinension d e S ( T ) , e I I e e s t é g a l e à :

( 2 6 1

dépend uniquenent du rapport tZ/tf

râ résolution de lréquation _{2s avec x connu et pour} différentes valeurs de c comprises entre o et 1 permet de déduire deux vareurs de vitesses drémission. A partir du spectre expérinental on peut connaitre les tenpératures correspondanteE _{à chaque vitesse drénission, ÂEa et oa}

4 7

peuvent être déduites du tracé drArrhénius'

C e p e n d a n t s i l e s i g n a l D L T S n e c o r r e s p o n d p a s à u n e

exponentielle unique' Irerreur sur Ia' détesmination de Irénergie dractivation et de Ia section efficace de capture devient inportante. on obtient en effet un pic unique quand deux ou plusieurs pièges ont des caractéristiques voisines' II est alors nécessaire de séparer 1à réponse de chaque centre par des méthodes nunériques. Plusieurs auteurs [2.1'1]' ont proposé des méthodes dranalyse des signaux nulti-exponentiels. Certains auteurs 12.LGJ ' utilisent les spectres DLTS pour Ia séparation des réponses de chaque piège. Dans Ie paragraphe suivant nous décrirons uniquement Ia néthode de N a k a s h i m a e t a I [ 2 . 1 6 ] .

Nous supposons que Ie diagramme de bande de Ia région de charge drespace drune barrière Schottky contient deux niveaux pièges, iI est possible de connaltre leur position. La uréthode consiste à décomposer le signal DLTS en deux contributions en étudiant à différentes températures ra variation de Y avec Ia largeur dtimpulsion' A un instant t,

Ies concentrations des centres occupés Nf(t), NZ(t) sont données Par :

nrr ( t ) = Nn ( I - exp( -o, vtu n to ) ) exp ( - t / tr) ( 2 7 |

og lf et Nz sont les dçnsités des deux niveaux piàges, et 12 les constantes de temps drénission des électrons, oa 02 les sections efficaces de capture.

Nous supposons que lrinteraction entre res deux pièges est négligée. _{si les densités N1 et N2 sont faibres devant la} concentration _{des donneurs ND, ra capacité à un instant t} peut être approchée par :

rlr+ (t) + N2+ (t  c 1 t 1 = c o { 1 + _(29',) 2ND avec ur* (t) = - 7 7 et ) ) N z * (t ) =

N1 ( l-exp (-o1nVs6tp) ) [ l-exp (-t/ r ù |

N2 ( l-exp (-o2nVj5tp) ) [ l-exp (-t/ r zl ]

Ie signal _{DLTS à une tenpérature T est donné par 3}

A C ( T , t p ) = A i ( T ) ( I - e x p ( - B i ( T ) b ) ) o ù n i ( T ) = - + [ e x p ( - t 1 /r i ) - e x p ( - t 2 / r i ) l B i ( f ) - n o i V t n ( 3 0 ) ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 )

A différentes température et par une régression, _on détetmine Ai (Tj ) et Bi (ri ) à partir de r'équation (321 . La section efficace _{oi (TJ ) est déterminée en supposant que ra} densité des porteurs ribres n est égale à ra densité du dopant ND, à partir _{de ra relation (34). Lréquation (33)}

4 9

représente Irexpression habituelle extraire les densités N1 et les partir de Ia Position du Pic' dtémission t1 est donnée Par:

,* = rn = Kn di (T) T'exp

du signal DLTS, oD Peut constantes de tenPs îL à

La constante de temPs

pic eni est connue, 1ê section où en déduit lrénergie de liaison

tH'l

A Ia tenPérature du efficace 1tétant égalenent

a s i .

I I . 3 . 6 A D p l l c a t i o ! ô ê l a D L T S a u x g t n r c t u r € g 1 | I 8 3

L a s p e c t r o s c o p i e t r a n s i t o i r e d e s n i v e a u x p r o f o n d s

utilisée pour Ia détermination des énergies dractivation et sections efficaces de capture des niveaux discrets dans les j o n c t i o n s p n e t s c h o t t k y p e u t s ' a p p l i q u e r à l | é t u d e d e s é t a t s

drinterface dans les structures UIS'

I I . 3 . 6 . 1 . E h l g s l o n d e s é l e c t r o n s p i é g é g e n v o l u n e :

s u p p o s o n s u n e d i o d e M l s s u r s u b s t r a t d e t l p e n ' l a f i g u r e

2-5 nontre les séquences du pulse électrique, le transitoire de capacité et les structures de bande pendant les séquences de polarisation.

t l é t e L - Isotônt_ _{I n p}

@apturr

@Gri ss ion

@

FLg.2-7 ! chronogranqe de ra tension de porarisation _(a), du transitoire de capacité - résult"nt _io). Diagranme des bandes drènergie drune ,ù*"È.rr" urs nontrant r"g_ phénonènês _{de captùiÀ et} d,émission _{des éIeè_trons par tes pién;; de} volume et des états drinterfàce.