Soutenance mémoire
Introduction
Dans ce chapitre, une analyse approfondie des effets de couplage parasite dans les dispositifs MIS-HEMT GaN à grille encastrée est présentée. Une nouvelle méthode d’extraction de la longueur effective du canal actif est ensuite décrite. Puis, nous analyserons les phénomènes physiques responsables de la diminution de la mobilité des porteurs libres avec la longueur effective du canal dans les dispositifs GaN HEMT à grille MIS encastrée, avec une attention particulière sur chaque région active dans le canal.
Il s’agira donc, dans une première partie, d’analyser et d’évaluer la capacité de couplage parasite dans le but d’extraire la longueur effective du canal actif. Une nouvelle méthode sera présentée et appliquée à plusieurs dispositifs HEMTs. La validation de la méthode pour l’extraction de la capacité parasite et la longueur effective sera effectuée grâce à une simulation 2D. Pour une utilisation plus simple de la méthode d’extraction de la capacité parasite, un nouveau modèle analytique de cette capacité sera proposé. Il s’agira ensuite dans une deuxième partie, de faire une étude approfondie du comportement des bords de grille sur le transport de charge dans les dispositifs HEMT GaN à grille encastrée. Nous proposerons un nouveau modèle de mobilité effective pour rendre compte de la diminution de la mobilité avec la longueur effective dans les dispositifs HEMTs GaN à grille MIS encastrée. Nous présenterons et appliquerons une nouvelle méthode différentielle, qui permet d’extraire les paramètres électriques dans chaque zone du canal d’électron du transistor. Dans un dernier paragraphe, nous proposerons une modélisation analytique des transistors MIS-HEMT GaN à grille encastrée utilisant la fonction de Lambert W pour rendre compte des différents régimes de fonctionnement. Un tel outil nous sera utile pour la suite de notre étude, notamment du bruit basse fréquence (BF).
Description du dispositif de test
Dans ce chapitre, nous allons caractériser des dispositifs HEMT GaN normally-off de la recette 2 (Figure 1.a). On a choisi les plaques #4 et #5 qui ont deux profondeurs de gravure différentes, respectivement RD3 et RD4 (RD4>RD3).
Nous avons réalisé les mesures de capacité sur un analyseur d’impédance LCR Agilent HP4284A.
Le choix de la configuration du circuit électrique équivalent est une capacité (Cm) en parallèle avec une conductance (Gm) (Figure 1.b). Le principe de fonctionnement a été décrit dans le chapitre I.
Pour cette étude, à l’aide de l’analyseur d’impédance nous avons appliqué une tension de grille variant de -4V à 4V sur la connexion « High » en superposant un petit signal AC de 40 mV d’amplitude. Sur cet appareil, le courant est mesuré par la connexion « Low » comme le montre la Figure 1.b. Avant de commencer la mesure, une correction des capacités parasites liées aux interconnexions a été effectuée. Le tableau 1 résume les différentes configurations de test possible pour la mesure de la capacité grille-canal. Ils correspondent aux différentes manières de connecter la connexion « Low » sur la source ou sur le drain ou les deux en même temps.
Simulation des effets de couplages parasites dans les dispositifs MISHEMTs GaN à grille encastrée
Une simulation 2D de la réponse capacitive a été effectuée en utilisant le logiciel Flexpde. Ce logiciel est un système de simulation qui nous a permis d’analyser notre problème. Il permet d’obtenir des solutions numériques pour des équations aux dérivées partielles en 2D ou 3D. Il est basé sur la méthode des éléments finis. Cette approche a été initialement appliquée sur des dispositifs MOSFETs et FDSOI [1] et nous allons l’utiliser dans les dispositifs HEMT GaN à grille MIS. Le but est de simuler en 2D, et comprendre le comportement des différents couplages capacitif dans la structure.
Principe de la simulation
Pour simuler la capacité quasi-statique grille-canal Cgc (Equation 3), nous utilisons la variation de l’énergie totale (Equation 4) dans la structure MIS HEMT GaN pour chaque incrément de tension de grille ∆Vg. Cette méthode a été proposée pour la première fois par Ben Akkez et al. [1].
Analyse approfondie du comportement diélectrique et modélisation de la capacité de couplage parasite
La principale préoccupation de cette partie est de déterminer la valeur de la capacité de couplage parasite CPar ainsi que la longueur effective du canal actif ? (Equation 1). Nous nous concentrerons sur l’analyse de la capacité parasite en accumulation (Figure 8.b et 8.d). Pour cela, le gaz d’électron 2D et le canal d’électron à l’interface Al2O3 ou à l’interface AlGaN/Passivation ont été remplacés par des barres métalliques (Figure 9). On définit une variable ? comme étant égale à la longueur d’extension du deuxième canal formé à l’interface AlGaN/Passivation à partir de l’interface AlGaN/Al2O3. Nous voyons son extension sur la Figure 8.b, mais son extension réelle peut dépendre de nombreux paramètres tels que la longueur de la plaque de champ de grille (« gate field plate », Fpg) coté source ou drain, la polarisation de la grille et la charge de polarisation effective à cette interface. Nous avons aussi étudié l’influence de la profondeur de gravure et de la longueur de l’extension ? du canal d’électron sur la valeur de la capacité de couplage. Nous avons également remplacé les différentes couches semi-conductrices par des couches diélectriques avec pour chacun une constante diélectrique ? associée. La capacité totale a été calculée à partir de la variation de l’énergie totale de la structure (Equation 3) où la (a) et (b) le profil de charge d’électron et (c) et (d) l’évolution du profil de potentiel dans la structure. contribution du champ électrique domine. La Figure 9 présente la structure et le maillage 2D utilisé pour l’estimation de ces capacités de couplage parasite. La validité de simulation de la structure simplifiée (Figure 10) a été vérifiée en comparant les valeurs expérimentales aux valeurs simulées à la fois en accumulation et en déplétion (Figure 7).
Analyse et modélisation du comportement des flancs pour les transistors MIS-HEMT GaN à grille encastrée
Dans cette partie, l’objectif est de discriminer les contributions respectives du canal intrinsèque, des coins et de flancs dans la conductance globale du transistor MIS-HEMT GaN à grille encastrée. La longueur effective du canal a été estimée par la méthode décrite précédemment.
Les caractéristiques de courant de drain Id-Vg et capacité grille-canal Cgc-Vg ont été mesurées pour différentes longueurs de grille Lg et profondeurs de gravure (RD3 et RD4). La figure 14 présente les caractéristiques Id-Vg et Cgc-Vg pour les dispositifs de la plaque #4 (RD4). Une capacité de couplage parasite autour de 1.1 × 10 −13 ? a été extraite pour ces différentes longueurs de grille. Notons que cette capacité parasite est différente de la capacité minimale en déplétion.
Modélisation analytique et analyse de la mobilité effective des dispositifs GaN avec grille MIS encastrée
Modèle électrique des dispositifs MIS-HEMT GaN à grille encastrée
Comme précisé au chapitre 1, le canal d’électrons des dispositifs MIS-HEMT GaN à grille encastrée présente une forme particulière (non-planaire) comparée aux transistors classiques MOSFET, FD-SOI, MOSFET P-GaN normally-off et MIS-HEMT normally-On. Pour étudier la dégradation de la mobilité effective avec la longueur de grille Lg, on se propose de considérer le canal actif d’un dispositif MIS-HEMT GaN à grille encastrée comme trois transistors en série contrôlés par une même grille. Ce modèle est formé d’un transistor principal représentant le fond de canal, deux transistors latéraux représentant les canaux de bord de grille et des résistances d’accès constitué des contacts ohmiques et du 2DEG (Figure 16).
Modélisation analytique des caractéristiques électriques des transistors MISHEMT GaN à grille encastrée utilisant la fonction W de Lambert
Le but de cette partie est de présenter une approche de modélisation des transistors MISHEMT GaN à grille encastrée en utilisant la fonction W de Lambert [6]. Ceci va nous permettre de construire l’évolution de la charge des porteurs libres dans le canal sur toute la plage de tension de grille [7] (i.e. de la faible à la forte accumulation). Pour cela, nous validerons d’abord l’applicabilité de la fonction W de Lambert et son utilité pour les transistors MIS-HEMT GaN à grille encastrée, afin de décrire avec précision l’évolution des caractéristiques de capacité grillecanal Cgc(Vg), puis la charge du canal Qch(Vg) et enfin de modéliser le courant de drain de la faible à la forte accumulation. Pour terminer, on appliquera cette fonction sur l’approche de trois transistors en série pour une large gamme de tension Vg et pour différentes longueurs de grille Lg.
Cette modélisation sera appliquée sur les transistors de la plaque #8 sans « back-barrier ».
Etude expérimentale de la mobilité de chaque région du canal actif par la méthode différentielle
Pour comprendre l’origine de la dégradation de la mobilité avec la longueur effective, nous proposons dans cette partie une nouvelle méthode différentielle qui compare à différentes longueurs de grille les caractéristiques électriques I-V et C-V. L’objectif de cette partie sera donc de montrer l’applicabilité de cette méthode pour des transistors MIS-HEMT GaN à grille encastrée et d’extraire la mobilité du canal de coin, de flanc et fond de grille. Cette méthode a été appliquée sur des plaques #4, #5 et #8 avec deux profondeurs de gravure (RD3 et RD4).
Conclusion
Ce chapitre a été consacré à l’analyse approfondie du fonctionnement des dispositifs MISHEMT GaN à grille encastrée. L’étude a été réalisée sur les plaques d’un même procédé de fabrication (recette 2) avec différentes profondeurs de gravure et différentes architectures. On a réalisé une vaste analyse expérimentale des caractéristiques Cgc(Vg) pour mettre en évidence l’impact du couplage parasite. Ces résultats ont été comparés aux simulations numériques 2D. Ce qui nous a permis de développer et valider par simulation, un nouveau modèle analytique simple de la capacité parasite qui se manifeste aux bords de la grille MIS encastrée du transistor. Les simulations ont également montré la formation de canaux parasites aux interfaces AlGaN/Al2O3 et AlGaN/Passivation qui ont été mis en évidence expérimentalement sur un dispositif court avec un Lg de 0.25 µm. Les simulations ont montré des différentes capacités de couplage parasite dans les deux régimes de fonctionnement (déplétion et accumulation). Le modèle analytique proposé prédit et explique bien les valeurs de capacité parasite mesurées. Ces différents résultats ont également permis une évaluation fiable de la longueur effective du canal actif, laquelle est en accord avec les longueurs physiques extraites par des mesures physiques TEM.
A la suite de cette étude de capacité de couplage parasite, une analyse approfondie du comportement des flancs de grille du transistors MIS-HEMT GaN à grille encastrée a été réalisée.
On a montré que le transistor MIS-HEMT GaN à grille encastrée fonctionne comme trois transistors en série (un transistor principal et deux transistors latéraux presque identiques). Ce qui nous a permis de développer d’une part, un nouveau modèle de mobilité qui rend compte de la diminution de la mobilité avec la longueur effective et d’autre part, une méthode différentielle qui permet d’analyser séparément les paramètres électriques des différentes zones du canal de conduction du transistor. Ces différentes méthodes permettent d’extraire avec précision les paramètres électriques du canal intrinsèque et ceux du bord des transistors.
Les résultats obtenus montrent une contribution non négligeable des régions de bords de grille (coins inclus) dans la conductance totale du dispositif MIS-HEMT GaN à grille encastrée et plusparticulièrement le rôle de la dégradation de la mobilité dans les coins. A la fin de cette étude, nous avons proposé une méthode de modélisation analytique des transistors à grille MIS encastrée baséesur la fonction de Lambert.
Au cours de ces différentes analyses, on a montré que les défauts jouaient un rôle majeur sur la dégradation de la mobilité des porteurs libres du canal. C’est dans cette optique que nous proposons au chapitre 4, une caractérisation des défauts principalement les charges d’état d’interface Dit, charges fixes dans l’oxyde de grille et les charges localisées dans le substrat GaN.
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Table des matières
Dédicace
Remerciements
Table des matières
Introduction générale
Bibliographie
Chapitre I : Etat de l’art sur les dispositifs MIS HEMT GaN et leur caractérisation électrique
I. Introduction
II. Généralités sur des dispositifs à effet de champ de types HEMTs AlGaN/GaN
II.1 Matériau nitrure de gallium (GaN)
II.1.1 Structure cristalline et propriété
II.2 Hétérojonctions AlGaN/GaN
II.2.1 Principe de l’hétérojonction
II.2.2 Notion de la polarisations spontannée et pièzoélectrique
II.2.3 Détermination de la densité de gaz d’électron 2D (N2DEG)
II.2.4 Conclusion
II.3 Transistor de type HEMT à base de GaN pour l’électronique de puissance
II.3.1 Avantage du GaN pour l’électronique de puissance
II.3.2 Principe de fonctionnement des transistors HEMT à base de GaN
III. Fabrication de transistors MIS-HEMT GaN
III.1 Epitaxie
III.2 Gravure
III.3 Dépôt des contacts ohmiques
III.4 Fabrication de la brique de grille MIS
III.4.1 Normally-on
III.4.2 Normmaly-off
IV. Etat de l’art sur la caractérisation électrique des transistors GaN
IV.1 Extraction des paramètres électriques de base d’un transistor
IV.1.1 La tension de seuil
IV.1.2 Le transport des électrons
IV.1.3 Influence des résistances d’accès
IV.1.4 Les effets des canaux courts
IV.2 Effets des pièges électriquement actifs dans les dispositifs GaN
IV.2.1 Mécanismes de piégeage dans les transistors GaN
IV.2.2 Méthodes de caractérisations des différents pièges dans les dispositifs GaN
V. Conclusion
Bibliographie
Chapitre II : Caractérisation électrique des dispositifs MIS-HEMT GaN
I. Introduction
II. Description des dispositifs MIS-HEMT GaN étudiés
III. Mesure de la caractéristique C(V) sur les dispositifs MIS-HEMT GaN
IV. Méthode d’extraction de paramètres électriques basée sur la fonction Y en régime linéaire
IV.1 Principe de la fonction Y
IV.2 Applicabilité de la méthode basée sur la fonction Y
V. Extraction de la mobilité corrigée par la méthode Split-CV
VI. Extraction statistique des paramètres électriques avec la méthode de la fonction Y en régime linéaire
VI.1 Méthodologie d’extraction
VI.1.1 Mesure du courant de drain
VI.1.2 Extraction et construction de charge des porteurs libres dans le canal de conduction
VI.2 Paramètres électriques
VI.2.1 Impact de la résistance d’accès sur le fonctionnement des transistors GaN
VI.2.2 Impact de la longueur de grille sur la mobilité effective
VI.3 Conclusion
VII. Etude de la variabilité de paramètres électriques
VII.1 Généralités sur la variabilité
VII.1.1 Variabilité globale et locale en électronique
VII.2 Etude expérimentale de la variabilité globale
VII.2.1 Modélisation de l’écart-type de la variabilité du courant de drain
VII.2.2 Contribution de la variabilité des résistances d’accès pour différentes technologies MISHEMT GaN
VIII. Conclusion
Bibliographie
Chapitre III : Analyse approfondie du fonctionnement des transistors MIS-HEMT GaN à grille encastrée
I. Introduction
II. Description du dispositif de test
III. Analyse des effets de couplages parasites dans les dispositifs MIS-HEMTs à grille encastrée
III.1 La capacité de couplage grille-canal
III.2 Simulation des effets de couplages parasites dans les dispositifs MIS-HEMTs GaN à grille encastrée
III.2.1 Principe de la simulation
III.2.2 Simulation 2D sur les dispositifs MIS-HEMT GaN à grille encastrée
III.3 Analyse et modélisation du comportement diélectrique et modélisation de la capacité de couplage parasite III.4 Evaluation de la longueur effective du canal actif
IV. Analyse et modélisation du comportement des flancs de grille pour les dispositifs MIS-HEMT GaN à grille encastrée
IV.1 Modélisation analytique et analyse de la mobilité effective des dispositifs GaN avec grille MIS encastrée
IV.1.1 Modèle électrique des dispositifs MIS-HEMT GaN à grille encastrée
IV.1.2 Modélisation analytique de la mobilité de trois transistors en série
IV.2 Modélisation analytique des caractéristiques électriques des transistors MIS-HEMT GaN à grille encastrée utilisant la fonction W de Lambert
IV.2.1 Modélisation de la charge de canal du transistor globale MIS HEMT GaN à grille
encastré
IV.2.2 Modélisation globale du courant de drain du transistor MIS-HEMT GaN en régime de fonctionnement linéaire ou ohmique
IV.3 Etude expérimentale de la mobilité de chaque région du canal actif par la méthode différentielle
IV.3.1 Principe de la méthode différentielle
IV.3.2 Analyse de la mobilité des porteurs libres dans le canal de fond, de flanc et de coin dans les dispositifs MIS-HEMT GaN à grille encastrée
IV.3.3 Analyse de l’effet de la profondeur de gravure sur la mobilité des porteurs libres du canal intrinsèque
IV.3.4 Modélisation analytique de trois transistors en série contrôlés par une grille MIS en régime linéaire ou ohmique
IV.3.5 Modélisation analytique de trois transistors en série contrôlé par une même grille MIS en régime non-linéaire
V. Conclusion
VI. Bibliographie
Chapitre IV : Caractérisation et évaluation de la densité de pièges d’interface dans les dispositifs MIS-HEMT GaN
I. Introduction
II. Modèle théorique et caractérisations électriques de la capacité MOS
II.1 Modèle théorique d’une structure MOS
II.1.1 Cas d’une structure MOS idéale
II.1.2 Cas d’une structure MOS non-idéale à l’équilibre thermodynamique
II.2 Caractérisations électriques de structure MOS
II.3 Extraction de la densité de pièges d’interface
II.3.1 La méthode haute fréquence [5]
II.3.2 La méthode basse fréquence [6]
II.3.3 La méthode haute-basse fréquence [7]
II.3.4 La méthode de conductance [4]
III. Dépendance et analyses des caractéristiques C(V) avec la fréquence dans les dispositifs MIS HEMT GaN
III.1 Dépendance des caractéristiques C(V) avec la fréquence sur les dispositifs normally-on
III.2 Dépendance des caractéristiques C(V) avec la fréquence sur les dispositifs MIS-HEMT GaN avec et sans gravure locale
IV. Caractérisation de pièges d’interface dans les dispositifs MIS-HEMT GaN
IV.1 Dépendance des caractéristiques C(V) avec la fréquence sur les dispositifs MIS-HEMT GaN à grille encastrée et modèle électrique
IV.2 Extraction de la densité de pièges d’interface
IV.3 Conclusion
V. Nouvelle méthode de caractérisation des pièges d’interfaces dans les dispositifs MIS-HEMT GaN normally-off
V.1 Modélisation analytique des caractéristiques du dispositif MOSFET
V.1.1 Evaluation de la charge dans un canal d’inversion sur substrat de type p
V.1.2 Modèle analytique du courant de drain du dispositif MOSFET
V.2 Extraction de la capacité de couplage canal-substrat (simulation)
V.3 Extraction de la densité de pièges d’interface par la nouvelle méthode avec polarisation du substrat
VI. Application de la nouvelle méthode d’extraction avec polarisation du substrat sur les dispositifs MIS-HEMT GaN à grille encastrée
VI.1 Extraction expérimentale de la capacité de couplage canal-substrat par mesure de capacité
VI.2 Extraction expérimentale de la capacité de couplage canal-substrat par la nouvelle méthode avec polarisation du substrat
VI.3 Extraction de la densité de pièges d’interfaces à partir des caractéristiques de sortie
VII. Conclusion
Bibliographie
Chapitre V : Etudes approfondies des mécanismes de bruit basse fréquence de type 1/f dans les dispositifs MIS-HEMT GaN
I. Introduction
II. Généralités sur les mesures de bruit basse fréquenceII.1 Rappel sur les outils mathématiques
II.2 Différents types de bruit basse fréquence
II.2.1 Bruit blanc
II.2.2 Bruit génération-recombinaison ou bruit de type lorentzien
II.2.3 Bruit de type 1/f ou bruit de flicker
II.3 Bruit basse fréquence de type 1/f dans les dispositifs résistifs sans grille de contrôle
II.3.1 Fluctuations de mobilité ∆? (« Hooge Mobility Fluctuation », HMF)
II.3.2 Fluctuation de nombre de porteurs ∆? (CNF)
II.4 Bruit basse fréquence de type 1/f dans les dispositifs MOSFETs
II.4.1 Fluctuation de nombre de porteurs ∆? (modèle CNF)
II.4.2 Fluctuations de mobilité ∆? (modèle HMF)
II.4.3 Fluctuation de nombre de porteurs corrélée à la fluctuation de mobilité ∆?/∆? (CNF/CMF)
III. Mesure expérimentale de bruits basse fréquence
III.1 Dispositifs expérimentaux
III.2 Description de la structure de test et principe de mesure…
IV. Analyse de bruit de type 1/f dans les dispositifs AlGaN/GaN avec grille de contrôle
V. Analyse de bruit basse fréquence de type 1/f dans les transistors MIS-HEMT GaN
V.1 Bruit basse fréquence de type 1/f dans les transistors MIS-HEMT GaN
V.2 Diagnostique des ources de bruit basse fréquence de type 1/f dans les transistors MIS-HEMT
V.3 Modélisation de bruit CNF/CMF pour les transistors GaN-HEMT à grille encastrée
VI. Conclusion
Bibliographie
Conclusion générale et perspectives
Liste des publications
