Effet piézoélectrique inverse et émission assistée par le champ électrique 

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Avantages des matériaux à large bande interdite

La solution la plus efficace pour dépasser les limites du silicium consiste à utiliser d’autres matériaux : les matériaux semi-conducteurs à large bande interdite (grand gap) sont prometteurs pour les composants de puissance destinés à fonctionner à haute tension et haute température. Ces matériaux répondent favorablement au cahier des charges des composants de puissance et offrent beaucoup de potentialités [6].
Le Tableau 1.1 présente les différentes caractéristiques électriques du nitrure de gallium (GaN) et ses propriétés en comparaison avec les semi-conducteurs conventionnels et les autres matériaux grand gap [7].
D’après le Tableau 1.1, on constate que le GaN a un champ électrique critique (ou champ de claquage) EC important par rapport aux autres semi-conducteurs. Ce champ de claquage important aide à obtenir une tenue en tension plus élevée. La grande mobilité des électrons dans le canal 2DEG (Two dimensional electron gaz), obtenue avec l’hétérostructure AlGaN/GaN, et leur haute vitesse de saturation favorisent les applications haute fréquence.
La Figure 1.2 [8] montre clairement la supériorité des matériaux semi-conducteurs grand gap par rapport au silicium en termes de performances statiques, plus précisément en terme de compromis entre résistance à l’état passant et en tenue en tension à l’état bloqué.

Le nitrure de gallium : historique et propriétés électroniques

Historique de la technologie nitrure de gallium

Le nitrure de gallium a été découvert dès le début du XXe siècle. En 1938, Juza et hahn synthétisèrent pour la première fois du GaN en faisant passer de l’ammoniac (NH3) sur du gallium liquide (Ga) à des hautes températures [9]. En 1986, Amano a utilisé l’épitaxie en phase vapeur-métal (MOVPE) pour montrer la croissance de films en GaN sur un substrat de saphir par l’intermédiaire d’une couche de nucléation d’AlN [10]. La première couche GaN conductrice de type p a été fabriquée par le même chercheur trois ans plus tard [11]. En 1991, Asif Khan a observé, pour la première fois, la formation spontanée d’un gaz d’électrons (2DEG) dans l’hétérostructure AlGaN/GaN [12]. Ensuite, le premier transistor à haute mobilité électronique (HEMT) à base d’une hétérostructure AlGaN / GaN a été démontré par ce dernier chercheur en 1993 [13]. La même année a vu la naissance de la première LED bleue à base du GaN [14].

Les propriétés du nitrure de gallium

Le nitrure de gallium est un matériau semi-conducteur constitué de gallium (Ga : élément de la colonne III du tableau périodique) et d’azote (N : élément de la colonne V). Par conséquent, le GaN fait partie de la famille dite des semi-conducteurs III-V et plus spécialement des nitrures III-N.

Propriétés cristallographiques

On trouve le nitrure de gallium sous trois arrangements cristallographiques : le Wurtzite, le Zinc Blende, et le Sel gemme [15]. Du point de vue thermodynamique, la forme cristallographique hexagonale la plus stable que peut prendre le GaN est la structure de Wurtzite (représentée sur la Figure 1.3 [16]).
Dans cette structure, les atomes Ga et N sont décalés suivant l’axe c qui correspond à la direction d’empilement des bicouches élémentaires. Suivant le genre d’atomes déposés en dernier lieu, on distingue deux types de film : le GaN à face gallium (face-Ga) et le GaN à face azote (face-N). Étant donné que l’azote a une électronégativité supérieure à celle du gallium, les atomes de Ga et de N ont respectivement des caractéristiques ioniques et cationiques, ce qui crée une polarisation électrique appelée polarisation spontanée [17].

Hauteur de la bande interdite

Par définition, la bande interdite représente l’énergie qui doit être fournie à un porteur de la bande de valence pour passer dans la bande de conduction et participer au passage d’un courant. La hauteur de bande interdite (Eg) confère au GaN plusieurs avantages :
– Elle détermine le champ électrique à partir duquel intervient le claquage. La hauteur de barrière est fonction du champ de claquage (Ec) : α 3⁄2.
– Elle a un impact direct sur la densité de porteurs dans le canal et donc sur les densités de courant.
– Elle permet de limiter les courants de fuite dans les composants grâce à une densité de porteurs intrinsèques qui reste faible même à haute température [18].
– Elle est inversement proportionnelle au paramètre de maille, ce qui offre au matériau une stabilité chimique et thermique grâce à une grande énergie de cohésion entre les cristaux [19].

Champ de claquage

Le champ de claquage, ou champ électrique critique, détermine la tension maximale que peut supporter un composant. Les largeurs des bandes interdites du nitrure de gallium et du nitrure d’aluminium AlN (un autre semi-conducteur de la même famille des matériaux III-V pour développer des composants performants), qui sont respectivement de 3,6 eV et 6,2 eV, entraînent des champs électriques critiques de 3,3 MV/cm pour le GaN et de 11 MV/cm pour l’AlN.

Conductivité thermique

La puissance dissipée lors du fonctionnement d’un composant nécessite une capacité à évacuer la chaleur ; cette capacité est traduite par la conductivité thermique d’un matériau. La puissance dissipée dans un transistor provoque une augmentation de la température du composant qui induit une chute de la mobilité des électrons et une diminution des performances. Grâce à une bonne conductivité thermique équivalente à celle du silicium, le GaN permet une bonne évacuation de cette puissance dissipée [20].

Mobilité des porteurs

À l’équilibre thermodynamique et sous l’effet de l’agitation thermique, les électrons se déplacent de manière aléatoire dans le cristal (en l’absence d’une excitation extérieure). Aucun déplacement cohérent de charges n’existe car la somme vectorielle des vitesses des porteurs est nulle. Par contre, l’application d’un champ électrique externe donne aux porteurs de charges libres une énergie suffisante pour que leur vitesse moyenne soit proportionnelle au champ appliqué. Ainsi, en présence de ce champ externe, les porteurs se déplacent sans interaction avec le réseau cristallin pendant un temps T correspondant au libre parcours moyen. La mobilité est liée à ce libre parcours sans choc dans le semi-conducteur. De plus, la modification de cette mobilité des porteurs est entraînée par toute modification du réseau cristallin. Une réduction de la mobilité d’électrons entraine une augmentation de la résistance à l’état passant Rds-ON, et donc une augmentation des pertes et une diminution de gain dans le transistor [20].

Le transistor à haute mobilité électronique HEMT

L’interrupteur de puissance en GaN le plus connu est le HEMT (High Electron Mobility Transistor). Il est une « variante » du MESFET avec une différence résumée par le fait que le HEMT utilise une hétérojonction, c’est-à-dire une jonction entre deux matériaux ayant des gaps différents. Son avantage réside dans sa très grande conductivité pour faire passer les électrons constituant le courant « drain – source » dans un semi-conducteur peu dopé. Ceci permet également de diminuer le temps de transit et donc augmenter les performances en fréquence.

Hétérostructure AlGaN/GaN et gaz bidimensionnel d’électrons

L’avantage des deux types de polarisation est la possibilité de créer un gaz bidimensionnel d’électrons (2DEG) de très forte densité et à mobilité élevée à l’interface d’une hétérostructure AlGaN/GaN.
La mise en contact de matériaux à largeurs de bande interdite différentes crée une discontinuité des énergies de bandes de valence et de conduction. Dans le cas de l’hétérostructure AlGaN/GaN, la différence de gaps est grande, ce qui donne naissance à un puit de potentiel situé du côté du matériau à faible gap (le GaN appelé « canal »), dans lequel les électrons sont confinés (Figure 1.7).
D’après Ibbetson et son équipe, pour une barrière AlGaN non dopée, ce sont les états de surface de type donneurs situés à l’interface de la barrière AlGaN qui constituent la source d’électrons du 2DEG [31]. Les électrons sont donc confinés à l’interface et peuvent avoir plusieurs sources (des défauts intrinsèques, des impuretés dans les couches GaN et AlGaN ou des états de surface de type donneurs [32], [33]) (plus d’explications seront données dans la section 1.5.1.2).
Il est à noter que la densité d’électrons dans le gaz 2D dépend également de l’état de contrainte des couches, du taux d’aluminium et de l’épaisseur de la couche AlGaN (appelée « barrière »).

Fiabilité des composants HEMTs en GaN

Les composants à base de nitrure de gallium (GaN) ont démontré leur potentiel dans l’électronique de puissance que ce soit du point de vue performances ou compétitivité économique. Cependant, cette nouvelle technologie n’est qu’à l’aube de son développement et requiert des efforts importants pour acquérir une maturité comparable à celle du silicium. En effet, le silicium a bénéficié d’un effort d’une cinquantaine d’années de recherche pour atteindre son niveau actuel de maturité et bénéficie encore aujourd’hui d’efforts globalement considérables, bien supérieurs à ceux du GaN.
Parmi les nombreux domaines d’études, la fiabilité est un aspect extrêmement critique pour assurer la viabilité de cette technologie et rendre possible son utilisation pratique à large échelle. La compréhension de la dégradation et des défaillances dans les dispositifs HEMT à base de GaN est limitée par plusieurs facteurs : la combinaison de plusieurs matériaux, la géométrie complexe des dispositifs et de nombreux mécanismes de dégradation potentiels [35]. Ces mécanismes intervenant dans la fiabilité des transistors HEMT sont présentés dans la Figure 1.8.

Pièges dans la couche tampon (buffer) GaN et la couche barrière AlGaN

Les pièges du tampon font référence aux niveaux profonds situés dans la couche tampon (buffer) ou dans l’interface entre celle-ci et le substrat. À l’état bloqué, l’application d’une haute tension entre les électrodes de drain et de source crée un champ électrique élevé dans la structure. En conséquence, des électrons peuvent être capturés par les pièges du tampon sous l’effet de ce champ. Certains de ces pièges peuvent avoir, dans le cas des transistors GaN, des constantes de temps de quelques millisecondes [49], et d’autres peuvent atteindre plus de 100 secondes [50]. En raison de la constante de temps de piégeage élevée, les électrons piégés ne peuvent pas suivre le signal haute fréquence et ne contribuent donc plus à la conduction. Ces électrons piégés créent également une charge négative qui diminue la densité du 2DEG et réduit par conséquent le courant du canal. Cette réduction du courant est appelée « dispersion de courant induite par un piège tampon » [44] (section 2.4.2.1). Une solution pour améliorer les performances du composant consiste à utiliser une plaque de champ entre la grille et le drain pour permettre l’étalement du champ électrique [51]–[53] (section 1.2.2).
L’apparition de ces pièges est liée essentiellement aux défaut ponctuels et aux dislocations résultant du désaccord du réseau cristallin entre le GaN et le substrat en Si. Ces dislocations se manifestent sous forme de pièges à électrons. Une couche de nucléation (AlN) est ajoutée entre la couche tampon GaN et le substrat pour réduire la densité et l’effet de ce type de pièges [54] (section 4.2.5).
Ces pièges peuvent contribuer aussi à l’effet « drain-lag ». En effet, la variation de la tension entre drain et source entraine un fort champ électrique, ce qui fait que des électrons libres passent du 2DEG dans la couche buffer GaN. Cette diffusion d’électrons peut être réduite en augmentant la résistivité de la couche tampon. En d’autres termes, il faut compenser les donneurs existants par l’ajout d’accepteurs profonds. Parmi les éléments ayant un profil de dopage facile à contrôler, on trouve le carbone qui est souvent utilisé pour rendre le GaN résistif. Pour montrer l’effet des pièges de la couche tampon sur la variation du courant Id, des recherches ont été menées pour mesurer le taux du « drain-lag ». En utilisant des couches de GaN avec des résistivités différentes, on a pu observer une réduction du taux de « drain-lag » avec les couches de GaN les moins résistives [55]. L’optimisation du dopage de la couche tampon avec du carbone permet donc de diminuer le courant de fuite dans la structure. Par contre, une étude menée par Klein et al a montré que le piégeage de porteurs dans les HEMTs AlGaN / GaN pourrait être dû à ces dopants carbone [56]. Pour éviter la migration des porteurs du canal vers la couche tampon et améliorer le confinement des électrons, on peut insérer une couche de faible bande interdite (comme l’InGaN) dans la couche du GaN du côté gaz 2D [57]. La combinaison des deux matériaux forme une barrière arrière pour les électrons dans le canal.
Des défauts peuvent exister aussi dans la couche barrière d’AlGaN du HEMT. Une fuite d’électrons du canal vers cette couche peut être générée sous l’effet d’un champ électrique moyen appliqué entre la grille et le drain [58]. Ceci entraine une réduction du courant Id suite à une diminution de la densité d’électrons dans le canal. D’autres recherches ont montré que ce mécanisme de piégeage est dû à différents mécanismes de conduction assistés par des défauts, comme l’effet « Poole-Frenkel » ou l’effet « hopping » [59], [60]. Ces pièges peuvent être le résultat des dislocations dues à des contraintes (effet piézoélectrique) ou des impuretés liées aux procédés de fabrication du  composant.

Effet de l’auto-échauffement

Comme expliqué précédemment, l’avantage des HEMTs de puissance à base de GaN réside dans leurs performances pour des tensions élevées grâce à la largeur de la bande interdite du GaN. Ces performances engendrent des champs électriques importants et des densités de courant élevées dans les dispositifs. Ces dernières entrainent à leur tour une grande densité de puissance et de chaleur, générée par effet Joule, qui sera dissipée par conduction thermique [61]. Dans le cas des HEMTs, l’évacuation de la chaleur s’effectue entre autres par conduction vers le substrat. Pour pouvoir dissiper le plus de chaleur possible, il est souhaitable d’utiliser un substrat de bonne conductivité thermique. La qualité du substrat joue un rôle déterminant sur les performances à haute puissance, à savoir la tension de claquage du composant, la transconductance et la résistance drain-source. En effet, l’augmentation de la température engendre une diminution de la tension de claquage ainsi qu’une augmentation du courant de fuite, et ce à travers la diminution de la largeur de la bande interdite et l’augmentation de la largeur de maille des matériaux [62]. De plus, lorsque la température augmente, la mobilité des porteurs est réduite. Il en résulte une diminution de la transconductance et du courant drain-source [63].

Effet des électrons chauds

La haute concentration des électrons dans le canal et le champ de claquage élevé du GaN permettent l’obtention de composants possédant une tension de claquage élevée et un courant de drain important. L’accélération des électrons du canal par le champ électrique élevé leur permet d’atteindre des énergies plus élevées que la valeur d’équilibre, devenant ainsi des électrons chauds. En dissipant leur énergie supplémentaire, ces électrons chauds peuvent créer, lors de la collision avec le cristal, des défauts permanents ou des liaisons pendantes. D’autre part, ces électrons chauds peuvent être capturés dans des pièges déjà existants dans les différentes couches de la structure, notamment l’AlGaN, la couche tampon de GaN et la couche de passivation [64]. Ces pièges contribuent à la dégradation des performances électriques du dispositif. Ceci se traduit par la diminution du courant de saturation de drain et de la transconductance [65], [66], par une augmentation de la résistance de drain et par un décalage de la tension de seuil [67]. Le processus de dégradation et le phénomène de piégeage au sein des couches de passivation ou de GaN sont présentés dans la Figure 1.12.
Contrairement aux HEMTs en GaAs, les effets d’ionisation par impact, dus aux électrons chauds, sont négligeables à l’intérieur des matériaux à base de GaN. En effet, ces derniers ont une bande interdite extrêmement large par rapport au GaAs. De plus, le taux d’ionisation par impact dans le GaN est généralement dominé par les mécanismes d’injection à effet tunnel [68] (section 1.4.2). Par conséquent, on ne peut pas attribuer la dégradation des performances des HEMTs GaN au seul phénomène d’électrons chauds. Le courant de grille, provoqué par la collecte des trous générés par ionisation par impact, peut être utilisé comme indicateur d’électrons chauds dans le cas des HEMTs GaAs. Cette méthode de mesure de courant de grille ne peut pas être utilisée dans le cas des HEMTs GaN où les mécanismes d’injection à effet tunnel dominent, d’où le recours à une autre méthode d’évaluation des électrons chauds qui est la mesure par électroluminescence (EL).

Effet piézoélectrique inverse et émission assistée par le champ électrique

Avec la polarisation du drain, un champ électrique élevé est présent entre le drain et le bord de la grille, il en résulte une forte contrainte mécanique induite par l’effet piézoélectrique inverse, qui peut conduire à la formation de défauts cristallographiques. De plus, ces champs vont accélérer des électrons et permettre leur injection à différents endroits de la structure dans l’AlGaN, le GaN ou les diélectriques, ce qui peut finir par entrainer l’endommagement des matériaux. La conduction des électrons peut se faire à travers différents mécanismes de piégeage : l’effet « Poole-Frenkel » (PF), l’effet tunnel assisté par phonon « Phonon Assisted Tunneling » (PAT) et l’effet tunnel direct « Direct Tunneling » (DT). Ces trois mécanismes sont présentés dans la Figure 1.13. En outre, dans la zone de grille, ces électrons accélérés peuvent contribuer, par effet thermique, à augmenter la densité des défauts de la couche AlGaN qui font croître le courant de fuite de grille IGSS [69], [70]. Des courts circuits entre la grille et le canal apparaissent alors, suite à l’accumulation de ces défauts [71].

Table des matières

1 État de l’art et bibliographie : le nitrure de gallium pour les HEMTs de puissance
1.1 Introduction
1.2 Contexte : l’électronique de puissance
1.2.1 Interrupteurs de puissance
1.2.1.1 L’interrupteur idéal
1.2.1.2 L’interrupteur réel
1.2.1.3 Le silicium pour les applications de puissance
1.2.2 Avantages des matériaux à large bande interdite
1.3 Le nitrure de gallium : historique et propriétés électroniques
1.3.1 Historique de la technologie nitrure de gallium
1.3.2 Les propriétés du nitrure de gallium
1.3.2.1 Propriétés cristallographiques
1.3.2.2 Hauteur de la bande interdite
1.3.2.3 Champ de claquage
1.3.2.4 Conductivité thermique
1.3.2.5 Mobilité des porteurs
1.4 Le transistor à haute mobilité électronique HEMT
1.4.1 Présentation du HEMT en GaN :
1.4.2 Effet de polarisation
1.4.2.1 Polarisation spontanée
1.4.2.2 Polarisation piézoélectrique
1.4.3 Hétérostructure AlGaN/GaN et gaz bidimensionnel d’électrons
1.5 Fiabilité des composants HEMTs en GaN
1.5.1 Effets des pièges
1.5.1.1 Mécanismes de conduction dans une barrière métal/isolant/semi-conducteur
1.5.1.2 Pièges de surface
1.5.1.3 Pièges dans la couche tampon (buffer) GaN et la couche barrière AlGaN
1.5.2 Effet de l’auto-échauffement
1.5.3 Effet des électrons chauds
1.5.4 Effet piézoélectrique inverse et émission assistée par le champ électrique
1.5.5 Effet du dopage carbone
1.5.5.1 Concentration des pièges et dopage carbone
1.5.5.2 Conséquence sur les performances dynamiques du HEMT
1.5.5.3 Solutions proposées pour contourner les effets
1.6 Méthodes de caractérisation des défauts
1.6.1 Mesures I-V impulsionnelles à différentes polarisations
1.6.1.1 Mesure du gate-lag
1.6.1.2 Mesure du drain-lag
1.6.2 Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS)
1.6.3 Photoluminescence
1.7 Conclusion
2 Procédures expérimentales et techniques de caractérisation des composants HEMTs : conditions d’obtention de mesures reproductibles et fiables
2.1 Introduction
2.2 Résistance dynamique à l’état passant dans un HEMT en GaN
2.2.1 Présentation du banc expérimental
2.2.2 Contribution à l’amélioration du banc expérimental
2.3 Stimulation des phénomènes physiques
2.3.1 Méthodes de stimulation utilisées
2.3.2 Dispositifs testés
2.3.3 Outils et protocole expérimentaux
2.3.3.1 Outils et équipements
2.3.3.2 Protocole expérimental
2.3.3.3 Avantages de la technique
2.3.4 Stress électrique par le substrat
2.3.4.1 Mesures Id(t) après le stress (« back-gating »)
2.3.4.2 Mesures Id(t) pendant le stress (« back-bias »)
2.3.5 Stimulation lumineuse
2.3.5.1 Effet de la lumière sur le comportement du composant
2.3.5.2 Choix de la longueur d’onde utilisée
2.3.5.3 Résultats de la stimulation lumineuse
2.4 Méthode électro-optique TLM (EO-TLM)
2.4.1 Caractérisation des contacts par la méthode TLM
2.4.2 Influence de l’illumination sur les contacts ohmiques
2.4.3 Extraction de la résistance de contact
2.4.3.1 Méthode d’extraction
2.4.3.2 Résultats des mesures R(L)
2.4.3.3 Comparaison entre les options technologiques A et B
2.4.3.4 Comparaison d’A et B avec les options technologiques C et D
2.5 Conclusion
3 Analyse des données temporelles et interprétation physique des phénomènes associés
3.1 Introduction
3.2 Analyse numérique des mesures de la stimulation optique
3.2.1 Automatisation du traitement (implémentation informatique)
3.2.2 Méthodes d’extraction
3.2.2.1 Mono-exponentielle
3.2.2.2 Méthode des moindres carrés (non linéaire)
3.2.2.3 Méthode de la dérivée par rapport au logarithme du temps
3.2.2.4 Méthode de la régularisation de Tikhonov (CONTIN)
3.2.2.5 Comparaison des différentes méthodes
3.3 Modélisation sous forme d’une variation de résistance
3.3.1 Approche avec un modèle électrique de deux résistances en série
3.3.2 Étude du modèle série avec la méthode de la dérivée
3.4 Intervalles de confiance et degré de crédence des résultats
3.5 Tracé d’Arrhenius pour l’extraction des énergies d’activation
3.6 Interprétations physiques
3.6.1 Comparaison entre les deux types de stimulation (optique et électrique)
3.6.2 Suggestions / interprétation physiques des résultats.
3.7 Conclusion
Conclusion générale
Références

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