N° d’ordre :2006-ISAL-0029 Année 2006 UNIVERSITE DE MONASTIR FACULTE DES SCIENCES DE MONASTIR INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE LYON Pour obtenir LE GRADE DE DOCTEUR FORMATION DOCTORALE : Matière condensée, Surface et Interface ECOLE DOCTORALE : Matériaux de Lyon TITRE : Etude des défauts électriquement actifs dans les composants hyperfréquences de puissance dans les filières SiC et GaN. Soutenue le 12 Juin 2006 devant la commission d’examen JURY : MM. Habib BOUCHRIHA Professeur Rapporteur Christophe GAQUIERE Professeur Rapporteur Hassen MAAREF Professeur Directeur de thèse Gérard GUILLOT Professeur Directeur de thèse Larbi SFAXI Maître de Conférences Examinateur Jean-Marie BLUET Maître de Conférences Examinateur THESE Présentée par Malek GASSOUMI Cette thèse a été préparée dans le cadre d’une collaboration CMCU entre le Laboratoire de Physique des Semiconducteurs et des Composants Electroniques de la Faculté des Sciences de Monastir et le Laboratoire de Physique de la Matière de l’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon
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Etude des défauts électriquement actifs dans les composants ...
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N° d’ordre :2006-ISAL-0029 Année 2006
UNIVERSITE DE MONASTIR FACULTE DES SCIENCES DE MONASTIR
INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE LYON
Pour obtenir
LE GRADE DE DOCTEUR FORMATION DOCTORALE : Matière condensée, Surface et Interface
ECOLE DOCTORALE : Matériaux de Lyon
TITRE :
Etude des défauts électriquement actifs dans les composants
hyperfréquences de puissance dans les filières SiC et GaN.
Soutenue le 12 Juin 2006 devant la commission d’examen
JURY : MM.
Habib BOUCHRIHA Professeur Rapporteur
Christophe GAQUIERE Professeur Rapporteur
Hassen MAAREF Professeur Directeur de thèse
Gérard GUILLOT Professeur Directeur de thèse
Larbi SFAXI Maître de Conférences Examinateur
Jean-Marie BLUET Maître de Conférences Examinateur
THESE
Présentée par
Malek GASSOUMI
Cette thèse a été préparée dans le cadre d’une collaboration CMCU entre le Laboratoire de Physique des Semiconducteurs et des Composants Electroniques de la Faculté des Sciences de Monastir et le Laboratoire
de Physique de la Matière de l’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon
DEDICACE
A ma très chère mère
A mon cher père
Je leur dédie ce modeste travail en signe de reconnaissance
et de profonde gratitude, pour tous les sacrifices
consentis.
Qu'ils voient en moi le fils qu'ils ont souhaité avoir.
A mes frères et ma sœur.
Qui m'ont toujours soutenu par leurs encouragements.
Pour tout l'amour qu'ils m'ont prodigué.
Qu'il me soit possible de leurs exprimer
Ma profonde gratitude.
Remerciements
Remerciements Cette thèse a été préparée dans le cadre d’un contrat CMCU (N°OG1320) entre le Laboratoire
de Physique des Semiconducteurs et des Composants Electroniques (LPSCE) de la Faculté
des Sciences de Monastir et le Laboratoire de Physique de la Matière (LPM) de l’INSA de
Lyon. Son accomplissement n’aurait été possible sans l’aide de nombreuses personnes.
Je remercie Messieurs Hassen MAAREF et Gérard GUILLOT, respectivement Directeurs du
Laboratoire LPSCE de Monastir et du LPM de l’INSA de Lyon, de m’avoir accueilli dans ces
Laboratoires.
Je suis très reconnaissant à Monsieur Hassen MAAREF, Professeur à la Faculté des Sciences
de Monastir, qui a dirigé cette thèse de côté Tunisien. Je lui exprime mes vifs remerciements
pour l’aide constante durant l’élaboration de ce travail qu’il a encadré. Ses conseils,
l’enthousiasme qu’il a su me communiquer et ses compétences scientifiques et humaines
m’ont permis d’accomplir ma tâche dans les meilleures conditions.
Cette thèse a été aussi dirigée par Monsieur Gérard GUILLOT, Professeur à l’INSA de Lyon,
dont j’ai pu, durant trois ans, apprécier l’enthousiasme, le sérieux et le sens de la physique ; ce
travail lui doit beaucoup.
Je voudrais remercier spécialement Monsieur Jean-Marie BLUET, co-directeur de cette thèse,
pour avoir assuré de manière agréable le suivi quotidien de mon travail et pour m’avoir fait
profiter de son expérience. Ses compétences scientifiques, ses conseils et sa qualité humaine
ont permis de réaliser ce travail dans un climat très favorable. Sa disponibilité ainsi que ses
conseils ont largement contribué à l’aboutissement de ce travail.
J’exprime mes vifs remerciements à Monsieur Christophe GAQUIERE, Professeur à
l’Université des Sciences et Technologies de Lille d’avoir accepté de rapporter sur ce travail.
Je le remercie de l’intérêt qu’il a montré pour ce travail. Ses remarques rigoureuses et ses
conseils se sont révélés très enrichissants.
Je tiens à remercier Monsieur Habib BOUCHRIHA, Professeur à la Faculté des Sciences de
Tunis d’avoir bien accepté d’être rapporteur de ce travail. Je le remercie de l’intérêt qu’il a
montré pour ce travail.
Je tiens à remercier Monsieur Larbi SFAXI, Maître de conférences à la Faculté des Sciences
de Monastir, pour l’intérêt qu’il a porté à ce travail pour ses encouragements ainsi que pour sa
participation au Jury de soutenance.
Remerciements
Coté collaboration, je remercie Monsieur Christian BRYLINSKI du Centre de Recherche du
groupe THALES à Orsay et Monsieur Christophe GAQUIERE qui sont à l’origine de
l’essentiel de l’élaboration des échantillons.
Je remercie Monsieur Djamel ZIANE qui m’a initié à l’utilisation des expériences de
transconductance et conductance (LPM), je tiens à remercier également Liviu MILITARU
pour son aide amical durant la préparation de cette thèse
Mercie à tous les membres du Laboratoire de Physique des Semiconducteurs et des
Composants Electroniques qui m’ont permis de travailler dans une ambiance chaleureuse :
I.2 Propriétés et applications du SiC.............................................................................. 12
I.2.1 Polymorphisme du Carbure de Silicium .............................................................. 12 I.2.2 Propriétés Physiques du Carbure de Silicium ...................................................... 15
I.2.2.1 Le facteur de mérite de Baliga (BMF) ............................................................. 17 I.2.2.2 Le facteur de mérite de Johnson (JMF) :.......................................................... 17 I.2.2.3 Le facteur de mérite de Keyes (KMF) : ........................................................... 17
I.3 Les défauts dans le Carbure de Silicium (SiC). ....................................................... 18
I.3.1 Défauts étendus .................................................................................................... 18 I.3.1.1 Les micropipes ................................................................................................. 18 I.3.1.2 Les dislocations ................................................................................................ 20 I.3.1.3 Fautes d’empilement ........................................................................................ 21
I.3.2 Défauts ponctuels et impuretés ............................................................................ 22 I.3.2.1 Centres profonds liés à des impuretés .............................................................. 22 I.3.2.2 Niveaux profonds supposés d’origine intrinsèque ........................................... 23 I.3.2.3 Niveaux superficiels ......................................................................................... 23
I.4 DISPOSITIFS ELECTRONIQUES SUR CARBURE DE SILICIUM................. 27
I.4.1 Les diodes bipolaires en SiC ................................................................................ 27 I.4.2 La diode Schottky en SiC..................................................................................... 28 I.4.3 La diode JBS (Junction Barrier Schottky)............................................................ 29 I.4.4 Les Transistors HBT ............................................................................................ 30 I.4.5 Les transistors Bipolaires ..................................................................................... 32 I.4.6 L’IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)........................................................ 33 I.4.7 Le thyristor GTO (Gate turn-off thyristor)........................................................... 34 I.4.8 Les Transistors MOSFETs SiC. ........................................................................... 35 I.4.9 Les transistors JFET en SiC ................................................................................ 37 I.4.10 Les Transistors MESFETs SiC. ........................................................................... 39
I.4.10.1 Etats de l’art sur les MESFETs SiC ............................................................. 40 I.4.10.2 Les effets de pièges dans le substrat semi-isolant du MESFET SiC............ 44
I.4.10.2.1 Effets de ‘Self-backgating’ ....................................................................... 45 I.4.10.2.2 Effets de ‘ gate-lag ’.................................................................................. 45
I.4.10.3 Rôle de la passivation pour le SiC ............................................................... 45
II.5 Méthode d’analyse des Transitoire de courant drain-source (CDLTS) ............... 72
II.5.1 Principe de la méthode ......................................................................................... 73 II.5.1.1 Mesures en commutation de grille ................................................................... 73 I.5.1.2 Mesure en commutation de drain.......................................................................... 74
II.5.2 Dispositif expérimental et information du banc de mesure.................................. 74 II.5.2.1 Banc de mesure ................................................................................................ 74 II.5.2.2 La Cryogénie .................................................................................................... 75 II.5.2.3 Excitation électrique......................................................................................... 75 II.5.2.4 Voltmètre numérique rapide............................................................................. 75 II.5.2.5 Informatisation du banc de mesure .................................................................. 75
II.5.3 Circuit électrique .................................................................................................. 77 II.5.4 Circuit imprimé .................................................................................................... 77 II.5.5 Analyse du transitoire de courant......................................................................... 77
III.2.2.1 Présentation de l’effet de kink...................................................................... 88 III.2.2.2 Présentation de l’effet d’hystérésis. ............................................................. 91
III.2.3 Conclusion sur les mesures de caractéristiques de sorties ................................... 96
Sommaire
3
III.3 Caractérisation des pièges dans le transistor MESFETs 4H-SiC. ......................... 96
III.3.1 Spectroscopie de défauts profonds par analyse de transitoires de capacité (DLTS). 96
III.3.1.1 Mesures expérimentales ............................................................................... 97 III.3.2 Spectroscopie de défauts profonds par analyse de transitoires de courant (CDLTS)............................................................................................................................. 100
III.3.2.1 Principe de la méthode de mesure.............................................................. 100 III.3.2.2 Amplitude des transitoires.......................................................................... 100 III.3.2.3 Détection et identification des pièges profonds ......................................... 101 III.3.2.4 Résultats en commutation de grille ............................................................ 102 III.3.2.5 Influence de la duré de pulse...................................................................... 110 III.3.2.6 Résultats en commutation de drain ............................................................ 111 III.3.2.7 Identification des pièges............................................................................. 112 III.3.2.8 Comparaison entre la DLTS et la CDLTS ................................................. 113
CHAPITRE III : PARTIE B : CARACTERISTIQUES STATIQUES ET ETATS DE SURFACE DANS LES MESFET 4H-SIC......................................................................... 115
III.2.1 Caractéristiques de transfert Ids-Vgs-T, pour un MESFET SiC de longueur de grille 1µm. .......................................................................................................................... 115 III.2.2 Caractéristiques Ids-Vds-T, d’un MESFET SiC de longueur de grille 1µm. .... 117 III.2.3 Caractéristiques Ids-Vds-T, pour des transistors de longueur de grille 4 µm et 16 µm. 119 III.2.4 Conclusion sur les caractéristiques statiques. .................................................... 123
III.3 Spectroscopie de défauts profonds par analyse de transitoires de courant
III.3.1 Transitoires de courant ....................................................................................... 123 III.3.2 Résultats de CDLTS en commutation de grille.................................................. 126
III.3.2.1 Transistor à Lg = 16 µm............................................................................. 126 III.3.2.2 Transistor Lg = 1µm................................................................................... 127 III.3.2.3 Comparaison Lg = 1µm et Lg= 16 µm ...................................................... 129
III.3.3 Interprétation ...................................................................................................... 131 III.3.3.1 Phénomène de capture par un état de surface ............................................ 131 III.3.3.2 Variation de Vr........................................................................................... 133 III.3.3.3 Variation du temps de pulse tp................................................................... 135 III.3.3.4 Mesure en condition de saturation ............................................................. 135
IV.2 Généralités sur le GaN............................................................................................. 146
IV.2.1 Propriétés physiques........................................................................................... 146 IV.2.1.1 Structure cristalline .................................................................................... 146 IV.2.1.2 Propriétés thermiques................................................................................. 147 IV.2.1.3 Propriétés électriques du GaN.................................................................... 147 IV.2.1.4 Influence du substrat sur les propriétés optiques et structurales ................ 148
IV.3 Le transistor HEMT ................................................................................................ 149
IV.3.1 Généralités.......................................................................................................... 149 IV.3.1.1 Rappels sur le fonctionnement des transistors HEMT............................... 150 IV.3.1.2 L’hétérojonction et le gaz bidimensionnel d’électrons .............................. 151
IV.4 Eude des HEMTs AlGaN/GaN/Si ........................................................................... 153
IV.4.1 Structures étudiées.............................................................................................. 153 IV.4.2 Caractérisations par des mesures courant-tension.............................................. 154
IV.4.2.1 Caractéristiques électriques statiques Ids-Vds-T. ...................................... 154 IV.4.2.2 Caractéristiques de transferts ..................................................................... 157 IV.4.2.3 Conclusion sur les caractéristique statiques ............................................... 159
IV.4.3 Caractérisation des pièges .................................................................................. 159
Tableau I-1 : Propriétés de quelques matériaux semiconducteurs.
Pour les applications hyperfréquences, les paramètres électroniques prépondérants
sont les caractéristiques de transport de charges (trous et électrons). Dans le domaine des
faibles champs électriques, les porteurs libres sont en équilibre thermodynamique avec le
réseau et leur vitesse moyenne est proportionnelle au champ électrique. En d'autres termes, la
mobilité des porteurs est indépendante du champ électrique et la vitesse de dérive s'écrit
simplement :
EV 0µ±=
Avec *0 mqτµ = , τ = temps de relaxation et m* = masse effective.
La vitesse de dérive des porteurs présente une valeur maximale Vsat obtenue pour une
valeur critique du champ électrique notée Ec. La valeur du champ électrique, pour laquelle se
produit la saturation de la vitesse de dérive, est très importante puisqu'elle traduit les
phénomènes d'accélération des porteurs jusqu'au régime de saturation. La vitesse de saturation
Chapitre I Généralités sur le Carbure de Silicium
16
pour les semi-conducteurs à grand gap est plus élevée que celle du silicium (Si) ou de
l'arséniure de gallium (GaAs). Ceci permet d'obtenir de forts courants DC et RF pour les
transistors MESFETs SiC.
Lorsque le champ électrique devient important, les interactions des porteurs avec les
vibrations du réseau entraînent une diminution de la mobilité des porteurs. Cette diminution
de la mobilité se traduit par une variation non linéaire de la vitesse de dérive des porteurs :
EEV ).(µ±=
Avec
VsatE
E+
=1
)( 0µµ
La mobilité des électrons (µn) et des trous (µp) sont des paramètres physiques prépondérants
pour les dispositifs microondes. En particulier, ils influent sur les performances RF, la
transconductance (Gm) et le gain en puissance des transistors MESFETs de puissance. De plus
le fort champ électrique d'avalanche du SiC [Van Opdorp’69] permet d'appliquer aux
transistors MESFETs de fortes tensions de polarisation de drain, ce qui permet d'obtenir des
puissances RF élevées en sortie.
La caractéristique de la vitesse des porteurs en fonction du champ électrique (figure
I.4) [Trew’91] est fondamentale pour déterminer l’amplitude du courant qui peut circuler dans
un composant. En principe, on souhaite une forte mobilité associée à une forte vitesse de
saturation.
Figure I.4: Caractéristique de la vitesse des électrons en fonction duchamp électrique pour plusieurs semi-conducteurs avec Nd = 1017
atomes/cm3 [Trew'91].
Chapitre I Généralités sur le Carbure de Silicium
17
Du point de vue des propriétés électriques, le seul inconvénient du SiC est la mobilité
relativement faible malgré une forte valeur de la vitesse de saturation. Pour une densité de
dopage de l'ordre de 1017 atomes/cm3, la mobilité des électrons varie de 200 à 600 cm2/V.s
suivant le polytype. La mobilité du polytype 4H-SiC est à peu près deux fois celle du polytype
6H-SiC. Le polytype 6H-SiC a donc l'inconvénient de présenter une faible mobilité
d'électrons : c'est la raison principale pour laquelle on préférera utiliser le polytype 4H pour
des applications microondes.
Pour synthétiser les avantages du carbure de silicium dus à ses propriétés physiques
intrinsèques, nous présentons dans la suite une comparaison de ses facteurs de mérite avec
d’autres semi-conducteurs.
I.2.2.1 Le facteur de mérite de Baliga (BMF)
Il mesure les performances du matériau pour une forte tenue en inverse et une faible
résistance en direct [Baliga’82] :
BFM= 3Cr Εµε
Où cE est le champ critique du matériau. µ est la mobilité des porteurs
I.2.2.2 Le facteur de mérite de Johnson (JMF) :
Il détermine l’aptitude du matériau pour des applications haute puissance et haute fréquence
[Johnson’63] :
JMF= (πν
2satCE )2
Où satν et la vitesse de saturation des porteurs
I.2.2.3 Le facteur de mérite de Keyes (KMF) :
Il établit l’aptitude du matériau pour la réalisation des circuits intégrés, en tenant compte de la
vitesse de commutation des transistors et de leur limitation par auto-échauffement [Keyes’72]
:
KFM=r
satcπενλ
4
Où c est la vitesse de la lumière et λ la conductivité thermique du matériau.
Le tableau suivant donne les valeurs de ces facteurs de mérite pour des matériaux
semiconducteurs, normalisées par rapport au silicium.
Chapitre I Généralités sur le Carbure de Silicium
18
Matériaux JMF KMF BMF
GaAs 7,1 0,45 15,6
Si 1 1 1
6H-SiC 260 4,68 110
4H-SiC 180 4,61 130
3C-SiC 65 1,6 33,4
GaN 760 1,6 650
Diamant 2540 32,1 4110
Le diamant possède de loin les valeurs de coefficients les plus élevées par rapport
aux autres matériaux semiconducteurs. Mais à l’heure actuelle, le SiC demeure le seul
matériau qui puisse répondre rapidement au besoin de l’électronique de puissance. On voit
que le GaN présente une figure de mérite JFM beaucoup plus important que celui du SiC. De
plus la possibilité de réaliser des transistors à haute mobilité électrique (HEMTs) à base de
GaN, permet d’atteindre des fréquences plus élevées que les MESFETs à base de SiC.
I.3 Les défauts dans le Carbure de Silicium (SiC).
Depuis la première mise sur le marché de substrats SiC, au début des années 1990, de
gros progrès ont été réalisés en termes de diamètre, de pureté et de qualité cristalline. Pourtant
aujourd’hui encore, la qualité des cristaux n’est pas encore satisfaisante. Les défauts du cristal
sont encore la raison principale du faible rendement de fabrication des composants. Les
diodes Schottky et les transistors MESFETs sont affectées par ces défauts.
I.3.1 Défauts étendus
I.3.1.1 Les micropipes
Ces défauts sont propres à la croissance du SiC selon la direction cristalline <c> ou
<0001>. Des améliorations du procédé de croissance ont permis de diminuer fortement leur
densité. Les micropipes ont la forme d'un tube creux traversant le cristal (figure I.5). Ils ont la
particularité de pouvoir atteindre de grands diamètres et être observés à l'aide d'un simple
microscope. Ils ont été révélés dans plusieurs matériaux cristallins (CdI2, PbI2, ZnS, mica,
couche minces de GaN et fréquemment dans le SiC). Plusieurs hypothèses ont été proposées
Tableau I-2 : Facteurs de mérites JMF, KMF et de BMF pour les principaux polytypes
de SiC comparés au Si, GaAs, GaN et le diamant [Chow’00].
Chapitre I Généralités sur le Carbure de Silicium
19
pour expliquer leur mécanisme de formation. Certaines évoquent les mécanismes qui génèrent
des dépressions dans la surface de croissance, d'autres évoquent les mécanismes qui génèrent
des dislocations avec de grands vecteurs de Burger [Weitzel’98].
Ces défauts sont extrêmement néfastes. Ils constituent des lieux privilégiés de
détérioration des composants [Powell’91]. Pour cette raison, les micropipes ont longtemps été
considérées comme le principal handicap pour la commercialisation de composant à base de
SiC. De nombreuses études [Neudeck’94] montrent le caractère destructif des micropipes
pour les diodes Schottky, avec une réduction d’un facteur 10 de la tenue en tension du contact
redresseur. Si on trouve un micropipe sur une zone active du composant, celle-ci peut
engendrer une destruction du composant (court circuit, coupure de la grille…).
Des nouveaux travaux ont montré que l’optimisation des conditions de croissance
permet de réduire la densité des micropipes [Kamata’03]. A l’heure actuelle, les meilleurs
résultats sont ceux annoncés par la société Américaine CREE qui produit des substrats 4H-
SiC de 50 mm de diamètre, avec une densité de micropipes qui ne dépasse pas 5 cm-2.
D’autres résultats meilleurs encore ont été démontrés par CREE sur des substrats de 75 mm
de diamètre [Tuominen’99].
Figure I.5. : Image SEM d’une région contenant une micropipe d’après [Junlin’05]
Chapitre I Généralités sur le Carbure de Silicium
20
Tout récemment, une équipe composée de chercheurs de TOYOTA et DENSO, au
Japon, a publié [Nakmura’04] des résultats spectaculaires grâce à un procédé de croissance
original. Celui-ci consiste à réaliser une croissance sur la face (11-20) pour éliminer les
micropipes, puis à partir de ce lingot de préparer un nouveau germe sur la face (1-100) pour
éliminer lors de la croissance les dislocations dans le plan de base.
I.3.1.2 Les dislocations
Dans le SiC comme dans les autres types de cristaux, il existe deux grandes familles
de dislocations : les dislocations « vis » et les dislocations « coin ». Le SiC présente une assez
forte densité des 2 types de dislocations, typiquement supérieure à 104 cm-2.
Les dislocations n’ont pas l’effet catastrophique des micropipes, en tous cas sur les
composants unipolaires. Le cas des composants bipolaires est moins sûr. Dans tous les cas,
une dislocation est une voie privilégiée de migration des impuretés, métalliques par exemple,
vers l’intérieur du cristal et la couche active du composant. Ce mécanisme de migration est
susceptible d’affecter la duré de vie des composants. Plusieurs équipes ont étudié la formation
des dislocations dans les cristaux SiC [Takashi’96, Dudley99, Sanchez’02]. Sanchez et al ont
montré une corrélation entre la vitesse de croissance, la formation de fautes d’empilement et
la densité de dislocation. Cette dernière diminue lorsque la vitesse de croissance diminue.
Donc afin d’améliorer la qualité cristalline du matériau et de réduire le nombre de dislocation
il est nécessaire d’optimiser les conditions de croissance.
Ces dernières années plusieurs équipes [Wahab’00a, Wahab’00b, Janzen’01,
Neudeck’98], se sont intéressé à l'étude des effets des dislocations sur les performances des
diodes 4H-SiC. La corrélation entre la diminution de la tension de claquage et l’augmentation
de la densité des dislocations a été démontrée. Neudeck et al [Neudeck’98] ont utilisé la
SWBXT (Synchroton White Beam X-ray Topography) afin de localiser les dislocations
présentes dans la zone active des diodes, (figure I.6). Grâce à la haute résolution spatiale de
cette technique, ils ont pu les localiser et les dénombrer et ont montré que la présence d’une
seule peut limiter la performance des dispositifs.
Chapitre I Généralités sur le Carbure de Silicium
21
Les dislocations vis sont le type de défauts le plus néfaste pour les composants de
puissance. Elles influent sur la tenue en tension mais aussi sur le comportement en direct des
dispositifs. Contrairement aux micropores peu de progrès ont été faits pour réduire leur
nombre. Il apparaît assez difficile d’éviter la présence de ce genre de défauts dans les
dispositifs. L’étude d’une diode Schottky 6H-SiC a montré que pour toute dislocation vis,
identifiée par SWBXT, correspondait un spot sombre indiquant un centre recombinant non
radiatif sur l’image EBIC [Schnabel’99].
I.3.1.3 Fautes d’empilement
Ces fautes d’empilements constituent des centres de recombinaison responsables de
la chute dramatique de la durée de vie des porteurs minoritaires et donc de l’augmentation de
la chute de tension en régime direct pour les diodes bipolaires [Bergman’01].
La création spontanée et la migration de fautes d’empilement en régime de
polarisation direct de composants bipolaires est accusée d’être à l’origine de la dégradation
observée des performances de ces types de composant.
Pour les composants unipolaires (les diodes Schottky et les transistors MESFET), il
n’a pas été rapporté de détériorations dues aux fautes d'empilement; ils sont tous réalisés sur
des surfaces parallèles aux plans de type <0001>. Ceci pourrait se produire sur des surfaces de
type <11-20> pour lesquelles le champ électrique serait parallèle au plan directeur des fautes
d’empilement qui pourraient devenir des sources de fuite [Tanaka’04]
Figure I. 6 : Image SWBXT en réflexion de deux diodes réalisées sur une épitaxie 4H-SiC a)diode A ne contient aucune dislocation. b) diode B contient une seule dislocation d’après Neudeck [Neudeck’98].
Chapitre I Généralités sur le Carbure de Silicium
22
I.3.2 Défauts ponctuels et impuretés
Aujourd’hui encore, la qualité cristalline du matériau SiC est loin d’égaler celle du
Silicium ou du GaAs. Dans ce paragraphe, nous citons quelques centres d’impuretés qui sont
détectés par différentes méthodes de caractérisation.
I.3.2.1 Centres profonds liés à des impuretés
Le Tungstène (W) : Par des mesures DLTS, Achtziger a identifié un niveau d'énergie lié
au tungstène dans le 4H, 6H et le 15R-SiC avec des énergies d'activation respectives de
1.43eV, 1.16eV et 1.14eV au dessus de la bande de valence [Achtziger’98]. Un niveau
additionnel a été détecté sur le 4H-SiC avec une énergie d'activation de 0.17eV
[Achtziger’98].
Le Magnésium(Mg): Par des mesures DLTS Lebedev, a identifié après implantation du
magnésium dans le 6H-SiC type n, deux niveaux d'énergie d'activation 0.49eV et 0.45eV.
Après un recuit à 1600°C la concentration de ces deux niveaux diminue [Lebedev’98].
L'oxygène(O) : Lors du dopage du 4H-SiC avec de l'oxygène des travaux montrent la
présence de deux niveaux peu profonds d'énergies d'activation 0.3eV et 0.44eV et trois
niveaux profonds d'énergies d'activation 0.74eV, 0.9eV et 0.95eV, ces niveaux sont attribués
à la formation de complexes contenant l'atome d’oxygène [Lebedev’96].
Le Béryllium(Be) : Il a été observé dans le 6H-SiC types n et p à température ambiante
par la technique de photoluminescence avec un maximum qui varie de 1.85eV jusqu'à 2.1eV [Lebedev’96].
Le Molybdène(Mo) : Il a été montré sur des couches épitaxiées commercialisées par
CREE que le molybdène occupe le site Si dans le 6H-SiC [Lebedev’98].
Les niveaux profonds peuvent agir comme des pièges à électrons ou piège à trous ou
comme des centres de recombinaison qui contrôlent la durée de vie des porteurs. Les plus
fréquents des centres profonds rencontrés dans le SiC sont le Vanadium et le Titane. Par
ailleurs, des études ont aussi été réalisées sur le chrome, le manganèse, et le molybdène. Les
travaux de Maier et al sur du 6H-SiC par ESR (Electron Spin Resonnance) ont montré que le
vanadium : agissait comme un défaut profond amphotère [Dalibor’97]. Il se substitue au
silicium sur les divers sites de SiC et introduit deux niveaux :
• Un niveau accepteur lié aux configurations électronique V3+ (3d2)/V4+ (3d1) ≡A-/A0
• Un niveau donneur lié aux formes configurations électronique V4+(3d1)/V5+(3d0) ≡
D0/D+
Chapitre I Généralités sur le Carbure de Silicium
23
Ci-dessous nous présenterons les divers travaux réalisés à ce jour pour situer les niveaux du
vanadium dans la bande interdite du SiC 4H (tableau I.3).
Energie (eV) σ(cm2) Méthode utilisée Référence
V dans 4H-SiC V4+/V5+ Ec-1,73 OAS
(Optical Admittance
Spectroscopy)
[Evwaraye’94]
V4+/V5+ Ev-+1,18 Effet Hall [Augustine’97] V4+/V3+ Ec-0,8 Effet Hall (dopé
V) [Jenny’96a]
V4+/V3+ Ec-0,806 1,8.10-16 DLTS (Nd-
Na∼1,5.1018 cm-3) [Jenny’96b]
V4+/V3+ Ec-0,97
Séparation des deux
sites de 40 meV
7,8.10-15 DLTS (Nd∼3.1015
cm-3, implantation
isotropes radioactifs)
[Achtziger’97]
[Achtziger’98]
V4+/V3+ Ec-0,88
Séparation des deux
sites de 35 meV
4.10-15 DLTS [Maier’92]
Tableau I.3: Récapitulatif des données concernant le Vanadium dans SiC
Vds(V)Figure III.15 : Caractéristique Statique à T=300K pour le MESFET S292
Chapitre III Etude des Défauts profonds dans les MESFETs 4H-SiC
94
la partie B de ce chapitre. Notons simplement, que pour ces transistors, l'effet d'hystérésis
apparaît systématiquement pour des faibles valeurs de la tension de grille alors que pour les
transistors 286 et 291 la situation n'est pas aussi tranchée. En effet, l'hystérésis apparaît dans
certains cas, pour de fortes valeurs de Vgs (figure III-17) ou bien encore pour des tensions
Vgs aussi bien élevées que faibles (Figure III-19).
0 5 10 15 20 25 30 35
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07T = 300 K, S291Lg = 2 µm
Vds(V)
-1V -3V -5V -7V -9V
I ds(A
)
0 5 10 15 20 25 30 35
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
-1V -3V -5V -7V -9V
Figure III-17 : Caractéristiques statiques à T = 300 K pour un MESFET 291 Lg = 2 µm. Un effet d'hystérésis d'autant plus marqué que Vg est forte est observable.
0 5 10 15 20 25 30 35
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07T = 300 K, S291Lg = 2 µm
Vds(V)
-1V -3V -5V -7V -9V
I ds(A
)
0 5 10 15 20 25 30 35
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
-1V -3V -5V -7V -9V
Figure III-17 : Caractéristiques statiques à T = 300 K pour un MESFET 291 Lg = 2 µm. Un effet d'hystérésis d'autant plus marqué que Vg est forte est observable.
Figure III-18 : Caractéristiques statiques à T = 500 K pour un MESFET 291 Lg = 2 µm. L’hystérésis a pratiquement disparu.
0 5 10 15 20 25 30 35
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06T = 500 K, S291Lg= 2 µm
-0.5V -2.5V -5.5V -7.5V -9.5V
Vds(Volts)
0 5 10 15 20 25 30 35
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06 -0.5V -2.5V -5.5V -7.5V -9.5V
I ds(A
)
Figure III-18 : Caractéristiques statiques à T = 500 K pour un MESFET 291 Lg = 2 µm. L’hystérésis a pratiquement disparu.
0 5 10 15 20 25 30 35
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06T = 500 K, S291Lg= 2 µm
-0.5V -2.5V -5.5V -7.5V -9.5V
Vds(Volts)
0 5 10 15 20 25 30 35
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06 -0.5V -2.5V -5.5V -7.5V -9.5V
I ds(A
)
Chapitre III Etude des Défauts profonds dans les MESFETs 4H-SiC
95
Notons également, que dans le cas d'un hystérésis à fort Vgs comme à faible Vgs,
l'effet disparaît à haute température (figure III-18).
Nous pouvons à ce stade émettre l’hypothèse de la présence de centres profonds situés
aux interfaces canal/couche de passivation ou canal/buffer ou buffer/substrat SI. En effet des
défauts électriquement actifs situés à ces interfaces sont susceptibles de charger et décharger
des porteurs. Ces défauts d’interface forment une grille « parasite » dont la distribution de
charge est inhomogène [Konstantinov’00]. Dans le cas des défauts situés à l’interface
canal/couche de passivation le phénomène est observé pour les faibles valeurs de Vgs. C’est
le cas de l’échantillon S292 pour lequel l’optimisation du buffer empêche la modification de
l’état de charge de pièges situés au niveau du substrat. Pour les autres échantillons, la grille
parasite peut se trouver aussi bien en surface du canal qu’aux interfaces associées. Les effets
de ces deux grilles parasites peuvent se conjuguer comme dans le cas de la figure III-19, où de
façon distincts comme dans le cas des figures III-12 et III-17 où respectivement les effets de
surface (figure III-12) et d'interface avec le substrat l'emportent (figure III-17). La disparition
de l'effet lorsque la température augmente peut être expliqué par le vidage thermique des
défauts profonds ce qui rend alors la grille parasite inactive.
T=300K, S291 Lg=16µm
Figure III.19:Caractéristique statiques Ids-Vds a T=300K, S291, Lg=16µm,
Chapitre III Etude des Défauts profonds dans les MESFETs 4H-SiC
96
III.2.3 Conclusion sur les mesures de caractéristiques de sorties
Les effets parasites que nous avons observés sur les caractéristiques statiques de sortie
(chute de tension de seuil, effet de Kink et effet d’hystérésis) peuvent avoir une même
origine : les effets de chargement et déchargement des centres profonds. Ces anomalies
varient en fonction des tensions de grille et de drain (du champ dans la structure) appliquées
et en fonction de la température. Nous allons donc étudier dans la suite les défauts profonds
relatifs au matériau en modulant le champ électrique dans la structure et en faisant varier la
température. Nous utiliserons donc les techniques DLTS et CDLTS.
III.3 Caractérisation des pièges dans le transistor MESFETs
4H-SiC.
La localisation des niveaux profonds permet de comprendre leur influence sur le
fonctionnement du MESFET SiC et d’autre part de trouver des solutions technologiques pour
minimiser leurs effets. Les nombreuses techniques de caractérisations des niveaux profonds
permettent de détecter les pièges dans un tel dispositif mais il est très difficile cependant de
les localiser dans le volume. Pour pouvoir localiser les pièges dans les structures étudiées des
mesures de transitoire de capacité et de courant en commutation de grille et de drain ont été
réalisés.
III.3.1 Spectroscopie de défauts profonds par analyse de transitoires de
capacité (DLTS).
Le principe de cette méthode repose sur l’analyse des transitoires de capacité induite
par l’émission ou la capture des pièges localisés dans la zone de charge d’espace sous la grille
du transistor MESFETs 4 H-SiC. Ceci est réalisé par un cycle de remplissages et de vidages
répétitifs des pièges à l’aide de tensions de polarisation bien choisies. Le spectre DLTS
montre un ou plusieurs pics en fonction de la température qui correspond à chaque piège
contribuant au transitoire. La température du maximum du pic correspond au taux d’émission
fixé par le temps d’échantillonnage t1 et t2 du boxcar. En général ce rapport t2/t1 est maintenu
constant. En effet, des travaux [Thurber’82] montrent que le choix de t2/t1 est très important
pour obtenir des spectres corrects. De plus, l’utilisation de valeurs inférieures à 2 pour t2/t1
n’est pas recommandée car le signal de sortie devient trop faible pour une analyse correcte.
Dans le cas idéal où le transitoire a une forme exponentielle, le signal DLTS peut être
facilement ajusté. Toutefois, dans certains cas, le transitoire de capacité n'a plus une forme
exponentielle:
Chapitre III Etude des Défauts profonds dans les MESFETs 4H-SiC
97
- quand deux ou plusieurs niveaux ont des paramètres très proches (signal
multiexponentiel);
- quand la densité des niveaux profonds est comparable avec celle des dopants
[Crowell’81].
- par la modification de la densité des pièges occupés au bord de la zone de charge
d'espace et dans la zone de transition qui peut générer un transitoire nonexponentiel
[Kimerling’74].
Pour les transitoires qui n'ont pas une forme exponentielle il est possible d'obtenir les
paramètres corrects des pièges si l'on utilise des modèles prenant en compte ces effets
[Omling’83], [Shapiro’84].
Pour déterminer la signatures des pièges (énergie d’activation et section efficace de
capture) il suffit de déterminer les températures des pics pour chaque taux d’émission. Dans le
cas d’un seul pic cette procédure est évidente. Mais dans le cas où deux ou plusieurs pièges
sont présents dans un échantillon, le signal DLTS devient la somme de plusieurs pics et
l’obtention de chaque Tmax n’est pas toujours facile déterminer. Si les pièges sont bien séparés
en température, il peut être possible d’assimiler le spectre à une somme des gaussiennes, ceci
nous permettant de déterminer Tmax pour chaque piège [Saysset’96].
III.3.1.1 Mesures expérimentales
Pour cette étude, les mesures DLTS ont été réalisées dans une gamme de température
comprise entre 77 K et 600 K. Les mesures DLTS sur un transistor de la série S291 (dont la
longueur de grille 16µm; buffer dopé p) sont présentées sur la figure III.20. La capacité pour
ce transistor est de l’ordre de 1.5pf. Nous avons pu augmenter la polarisation inverse et donc,
sonder un volume plus important. Pour toutes les mesure de DLTS, la duré de l’impulsion est
fixé à 1ms, avec plusieurs taux d’émission en. Ce spectre nous montre la présence d’un seul
piège noté E1 avec une énergie d’activation de 0.32 eV et une section efficace de capture de
l’ordre de 10-17 cm-2. Même en essayant différents conditions de manipulation (Vr, Vp, et tp),
on a toujours un seul signal DLTS.
Chapitre III Etude des Défauts profonds dans les MESFETs 4H-SiC
98
La saturation des spectres DLTS en fonction du temps de pulse (tp) à 10ms montre
que le défaut E1 est ponctuel, [Omling’85] (figure III.21). En effet; le caractère ponctuel ou
étendu des défauts peut être déduit de la variation de l’amplitude du pic DLTS en fonction du
temps de remplissage. Pour les défauts ponctuels distribués uniformément dans le structure,
on obtient une saturation du signal avec le temps de remplissage.
Figure III.20. Spectres DLTS enregistrés pour l’échantillon S291, Lg=16µm, avec un buffer P, tp=1ms,Vr=-4V etVp=0V,.
Chapitre III Etude des Défauts profonds dans les MESFETs 4H-SiC
99
Alors que pour un défaut étendu, le modèle existant [Wosinski'89] suppose que les
taux de capture des électron/trous sont limités par une barrière de potentiel qui est fonction du
nombre d’électrons/trous déjà capturés. Dans ce cas, la concentration des pièges occupés suit
la relation [Wosinski’89, Grillot 95].
( ) ⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+=
ττσ p
TpnpnpT
tNnVtn 1ln,, (Eq.III.1)
Avec nT(tp) la concentration des pièges occupés après un temps de remplissage tp, σn,p
la section efficace de capture pour les électrons/trous, < Vn,p> la vitesse thermique des
électrons/trous, n la concentration des électrons/trous injectés, NT la concentration moyenne
des pièges et τ le temps nécessaire pour l’apparition de cette barrière de potentiel (inférieur à
1µs) [Grillot95]. Dans ce cas, l’évolution du signal DLTS avec le temps de remplissage suit
une loi logarithmique. Par la seule mesure de DLTS, nous avons observé la signature d’un
piège à électron et déterminé que ce défaut est un défaut ponctuel. Nous n’avons toute fois pas
l’information sur sa localisation dans la structure. Pour obtenir d’autres informations, nous
allons réaliser des mesures de CDLTS en commutation de grille et de drain.
0,1 1 10 100 1000 10000 1000000,0000
0,0005
0,0010
0,0015
0,0020
0,0025
0,0030
0,0035∆C
ma
x(pF
)
tp(µs)Figure III.21: Variation de l’amplitude du signal DLTS du défaut E1 en fonction de la durée de remplissage (saturation du signal), en=116.27s-1.
Chapitre III Etude des Défauts profonds dans les MESFETs 4H-SiC
100
III.3.2 Spectroscopie de défauts profonds par analyse de transitoires de
courant (CDLTS).
III.3.2.1 Principe de la méthode de mesure
La spectroscopie de transitoire de courant (CDLTS) présente l’avantage de s’appliquer
directement sur le dispositif, et son application devient capitale pour la caractérisation de
composant de très faibles dimensions. Dans ce cas, nous pouvons déterminer l’influence de
toutes les étapes technologiques. Un autre avantage de la CDLTS par rapport à la DLTS
classique sur les transistors, réside dans la possibilité de détecter des pièges qui se trouvent
dans la couche tampon et à l’interface associée. Pour cela il est nécessaire d’utiliser une
tension inverse proche de la tension de seuil qui permet de moduler le niveau de Fermi dans
cette couche [Haddab’95]. Pour que la zone de charge d’espace sous la grille du MESFET
4H-SiC soit symétrique, les transistors ont toujours été polarisés dans la zone linéaire de
fonctionnement avec une tension drain-source inférieure à la tension de saturation.
Il est facile de déterminer les signatures des pièges comme nous l'avons mentionné
dans le cas de la DLTS capacité. Mais cette technique ne permet pas la détermination de leur
concentration.
III.3.2.2 Amplitude des transitoires
L’amplitude des transitoires du courant drain-source en réponse à une impulsion appliquée sur
la grille ou sur le drain d’un transistor dépend des paramètres suivants (Figure III.22) :
- la valeur maximale de la tension Vp
- la valeur minimale de la tension Vr
- l’amplitude de l’impulsion Vp-Vr
- la durée de l’impulsion ∆t
Comme la valeur maximale du signal de commande détermine la largeur de la zone de
déplétion initiale, la durée de l’impulsion et sa valeur maximale sont fixées de façon à
V
Vp
Vr t
∆t Figure III.22 : Caractéristiques de l’impulsion de commande.
Chapitre III Etude des Défauts profonds dans les MESFETs 4H-SiC
101
optimiser le remplissage des pièges présents dans la structure. De plus, choisir un Vr proche
de la tension de seuil du composant permet d’obtenir une bonne efficacité de détection.
La figure III.23, montre l’évolution des transitoires du courant drain-source en fonction de la
valeur minimale de la tension. Dans ce cas, une impulsion a été appliquée sur la grille d’un
transistor avec une longueur de grille égale à 16µm de la série S291, avec une valeur
maximale Vp fixée à 0V. On constate que l’amplitude du transitoire est plus élevée quand la
tension inverse appliquée sur la grille est plus forte (en valeur absolue). En effet, l'extension
de la zone de charge d’espace associée à la grille du transistor est dans ce cas plus importante.
Par conséquent le nombre de porteurs libres émis par les pièges profonds augmente.
L’amplitude du transitoire du courant drain-source en commutation de grille est
proportionnelle au nombre de défauts présents dans la zone modulée.
III.3.2.3 Détection et identification des pièges profonds
Pour détecter, identifier et localiser les centres profonds, nous réalisons des mesures de
transitoires de courant drain-source en commutation de grille et de drain en fonction de la
température.
0 10 20 30 40 50 60 70 80
0,980
0,985
0,990
0,995
1,000
1,005
Ids/
Idss
Temps(ms)
Vr=-3V Vr=-4V Vr=-6V
T=300K
Vds=10Ven=34,62
Figure III.23 : Evolution des transitoires de courant drain-source en fonction de l'amplitude de l'impulsion de grille en conservant Vp=0V (MESFET SiC serie 291,
Lg=16µm et buffer P)
Chapitre III Etude des Défauts profonds dans les MESFETs 4H-SiC
102
L'évolution des transitoires de courant présentés dans la figure III.24, montre qu'un seul
processus d'émission électrique gouverne les transitoires dans la gamme de température 80K à
500K. Chaque transitoire expérimental est alors traité par le programme d'échantillonnage
pour extraire les constantes de temps associées aux processus d'émission mis en jeu.
Pour déterminer les signatures des pièges, (énergie d'activation, section efficace de
capture) il faut déterminer les températures des pics pour chaque taux d'émission. Alors que
dans le cas d'un seul pic cette procédure est évidente, dans le cas où deux ou plusieurs pièges
sont présents dans un échantillon, le signal CDLTS devient la somme de plusieurs pics et
l'obtention de chaque Tmax devient plus complexe. Si les pics sont bien séparés en
température, il peut être possible d'assimiler le spectre à une somme de gaussiennes, ceci
permettant de déterminer Tmax pour chaque piège.
III.3.2.4 Résultats en commutation de grille
Les pièges activés sont localisés dans la zone de charge d'espace associée à la grille.
Cette zone désertée s'étend en profondeur dans la couche active du transistor mais aussi
latéralement dans les zones d'accès grille/source et grille/drain. Afin d’obtenir un maximum
d'information, cette étude a été effectuée en polarisant le transistor en régime de saturation et
en régime linéaire.
Nous commençons tout d’abord l’étude par des impulsions en régime linéaire avec un
Vds égale à 10V, une tension Vp=0V et des valeurs de Vr respectivement -3, -4 et -6V dans le
0 10 20 30 40 50 60 70 800,95
0 ,96
0 ,97
0 ,98
0 ,99
1 ,00
1 ,01
-6 V
0 V
te m ps (m s )
V G (V )
T=4 1 0 K
T=2 8 5 K
T=2 2 5 K
T=1 7 0 K
T=1 3 0 K
T=8 5 K
Ids/
Idss
tem p s (m s)
tp = 1 000m sV d s= 10V
Figure III.24 : Evolution des transitoires de courant drain-source en fonction de la température pour un transistor de longueur de grille 16µm de la série 291.
Chapitre III Etude des Défauts profonds dans les MESFETs 4H-SiC
103
but de sonder le maximum de volume dans le canal. La durée de l’impulsion est fixée à
1000ms, la gamme de température varie entre 77K et 470K. Toutes les mesures sont réalisées
sur les transistors de la série S291.
50 100 150 200 250 300 350 400 450
-2,5x10-3
-2,0x10-3
-1,5x10-3
-1,0x10-3
-5,0x10-4
0,0
5,0x10-4
1,0x10-3
1,5x10-3
Vds=10VVgs=-3---0Vtp=1000msen=2.73s-1
Sign
al C
DLT
S(a.
u)
Tem pérature(K)
Figure III. 26 : Spectre CDLTS pour un transistorLg=16µm de la série S291.
50 100 150 200 250 300 350 400 450
2,5x10-3
3,0x10-3
3,5x10-3
4,0x10-3
4,5x10-3
5,0x10-3
5,5x10-3
6,0x10-3
6,5x10-3
VDS=10VVGS=-3---0Vtp=1000msen=34.62S-1
Sign
al C
DLT
S(a.
u)
Température(K)
Figure III.25 : Spectre CDLTS pour un transistor Lg=16µm de la sérié S291.
Chapitre III Etude des Défauts profonds dans les MESFETs 4H-SiC
104
Les figures III.25 et III.26 représente les spectres CDLTS obtenus lors d’une
impulsion sur la gille pour un transistor avec une longueur de grille 16µm. Seul le taux
d’émission (en) a été changé entre les deux mesures. Pour en=34,62s-1 (figure III.25) le spectre
CDLTS est constitué de la superposition de signaux positifs correspondant à l’émission de
pièges à électron. Pour en=2.73s-1, nous observons un spectre très similaire jusqu'à 300K
environ, puis à plus haute température, apparait un pic négatif. Ce pic négatif devrait
logiquement correspondre à un piège de trous ce qui est surprenant dans le composant étudié
puisqu’il s’agit d’un dispositif à majoritaires (électrons). Les travaux de Ho-Young et al [Ho-
Young’03a] montrent que l’existence de pièges à trous peut être attribuée à l’effet d’états de
surface dans les transistors MESFETs SiC. Ces états de surface sont situés entre grille/source
et grille/drain. Une étude plus approfondie sur les états de surface sera présentée dans la partie
B de ce chapitre.
Sur la figure III.27, pour un taux d’émission de 23.8s-1, le pic négatif n’apparait pas. Afin de
garder la zone de charge d'espace sous la grille symétrique, les transistors sont toujours
polarisés dans la zone ohmique de fonctionnement avec une tension drain - source qui ne
dépasse pas 10 V. En modifiant les tensions de polarisations inverses entre -3Vet -6 V (proche
de la tension de seuil) et en gardant le taux d’émission en fixe, la forme du spectre reste
inchangée et on observe uniquement une faible variation des paramètres des pièges. En effet,
50 100 150 200 250 300 350 400 450
0,002
0,004
0,006
0,008
0,010
VDS=10V
Tp= 1000mSen=23.8S-1
Sign
al C
DLT
S (a
.u)
Température(K)
VGs= -3V VGS= -4V VGS= -6V
Figure III.27 : Spectre CDLTS enregistré pour un transistor MESFETs 4H-SiC avec un buffer P et Lg=16µm.
Chapitre III Etude des Défauts profonds dans les MESFETs 4H-SiC
105
les tensions de polarisation Vr précisent la zone d’émission des porteurs dans la zone de
charge d’espace. Ces résultats montrent qu'il n’y a pas d’effet de champs sur en.
Malgré la complexité des spectres qui contiennent d’évidence plusieurs composantes,
nous avons essayé de les décomposer pour obtenir la signature de chaque piège. Le spectre
CDLTS figure III.28 montre la présence de six pics (B1, B2, B3, B4, B5 et B6) en fonction de
la température. Chacun de ces pics correspond à un piège qui contribue au transitoire de
courant drain-source. Les températures des maxima des différents pics sont déterminées pour
chaque taux d’émission fixé par les temps d’échantillonnage t1 et t2. Les énergies d’ionisation
apparentes (Ea) et les sections efficaces de capture (σ) des pièges sont obtenues à partir de
leurs signatures (Variations du logarithme de T2/en en fonction de 1000/T) (figure III.29 et
figure III.30). Les différentes énergies d'activation et sections efficaces de capture sont
reportées dans le tableau III.2
50 100 150 200 250 300 350 400 4503,0x10-3
4,0x10-3
5,0x10-3
6,0x10-3
7,0x10-3
8,0x10-3
Vds=10VVgs=-6..0Vtp=1s
en=29.82s-1
B6B5
B4B3
B2
B1
Sign
al C
DLT
S(a.
u)
Temperature(K)Figure III.28 : Spectre CDLTS enregistré lors d’une impulsion sur la grille.
Chapitre III Etude des Défauts profonds dans les MESFETs 4H-SiC
106
8,0 8,2 8,4 8,6 8,8 9,0 9,2 9,4 9,6 9,8
4,54,64,74,84,95,05,15,25,35,45,55,65,75,85,96,0
Ln(T
2 /en)
1000/T(K-1)
B5=0.16eV B6=0.09eV
Figure III.30 : Diagramme d’Arrhénius pour le MESFETS 4H-SiC lors d’une impulsion sur la grille pour les défauts notés B5, et B6.
2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0 4,26,5
7,0
7,5
8,0
8,5
9,0
Ln
(T2 /e
n)
1000/T(K-1)
B1=1.01eV
B2=0.82eV B4=0.61eV
B3=0.32eV
Figure III.29 : Diagramme d’Arrhénius pour le MESFETS 4H-SiC lors d’une impulsion sur la grille pour les défauts notés B1, B2, B3 et B4.
Chapitre III Etude des Défauts profonds dans les MESFETs 4H-SiC
107
L'identification de ces défauts est un problème délicat et nous allons seulement donner
quelques identifications possibles.
L’énergie d’activation du défaut B1 de 1.01eV est proche de celle qui a été obtenue
par dispersion en fréquence de la conductance de sortie (1.05eV) lors d’une étude précédente
[Sghaier’03] pour des transistors réalisés sur des substrats dopés au Vanadium. La valeur est
également proche de celle du niveau accepteur du vanadium à Ec=0.97eV mesurée par
Achtziger en DLTS [Achtziger’97]. De plus les mesures de résistivité en fonction de la
température réalisées par Augustine et al [Augustine’97] ont révélé une énergie d’activation
de 1.16eV dans le cas de substrat semi-isolants dopé au vanadium. Nous pouvons donc
attribuer le défaut B1 à la présence du vanadium dans le substrat semi-isolant. Il est toutefois
surprenant que des effets de chargement/déchargement d’un défaut du substrat puissent être
observés dans le cas de transistors contenant une couche buffer de type P supposée prévenir
l’injection de porteurs dans le substrat. Le défaut n’est d’ailleurs pas observé en DLTS
capacitive. Par contre, dans l’expérience de DLTS courant le drain est polarisé avec une
tension positive de 10V. Pour cette tension de drain, la jonction P/N (buffer/canal) est
fortement polarisée en inverse, si bien que le buffer est déplèté. Dans ces conditions de
champs Vds=10V, Vgs=-6V, les porteurs peuvent donc avoir suffisamment d’énergie pour
être injectés depuis le canal dans le substrat à travers la couche buffer. Ce niveau profond
correspondant à un piège situé dans le substrat est probablement à l'origine de l'effet
d'hystérésis observé pour les forts Vgs (au voisinage du pincement).
Concernant le défaut nommé B2 dont l’énergie d’activation est de 0.82eV
l’identification est moins claire. Une même énergie a été reportée dans la littérature et ceci
après implantation de He [Kimoto’93]. Y. Negoro et al [Negoro’05] ont implanté des
matériaux 4H-SiC avec de l'aluminium et du bore et, par des mesures de DLTS ils ont détecté
un défaut avec également une énergie d’activation de 0.82eV. Toutefois nos échantillons
n’ayant subit aucune implantation on ne peut pas identifier l’origine de ce défaut dans nos
structures pour l’instant.
Le défaut B3 apparaît à 300K avec une énergie d’activation de 0.61eV qui est celle du
défaut appelé Z1 identifié dans la littérature. Il a été observé dans des structures MESFET 4H-
SiC par Kimoto et al [Kimoto’93] et a été confirmé par la suite avec des mesures de DLTS
par Doyle et al [Doyle’97] avec une énergie d’activation de 0.7eV. La concentration de ce
défaut augmente après une implantation avec He+ du 4H-SiC [Gotz’93]. Les études complètes
menées par A. Kawasuso et al [Kawasuso’01] sur la stabilité de ce défaut Z1 créé par
implantation d'He+ porte principalement sur la disparition de ce défaut après un recuit à haute
Chapitre III Etude des Défauts profonds dans les MESFETs 4H-SiC
108
température. Ces études ont montré que ce défaut Z1 est associé à des lacunes de silicium dans
le SiC. Une étude récente sur ce défaut réalisée par Pintillie et al [Pintilie’02] montre une
augmentation notable du défaut Z1 en fonction du dopage Azote.
Pour le piège B4 qui présente les mêmes signatures (Ea,σ) que le défaut E1 déterminé
par la technique DLTS capacité dans ce travail, l'identification par rapport aux résultats de la
littérature n'est pas possible.
Le défaut B5 apparaît avec une énergie d’activation de 0.16eV ; ce défaut à été
attribué au niveau du Ti [Van Kemenade'74] dans la structure 4H-SiC, appelé P1/P2. Cette
impureté, provenant généralement du suscepteur de graphite lors de l'épitaxie est rencontrée
assez communément dans les structures SiC. Dans notre cas, le titane est probablement
distribué uniformément dans la couche canal.
Finalement le défaut B6 dont l’énergie d’activation est de 0.09 eV correspond à
l’évidence au dopant de type n de la couche canal, c'est-à-dire l’azote [Troffer’78].
Impulsion sur la grille Ea(eV)
σ (cm2) Identification
des pièges
B1 1,01 4,3 × 10-17 V
B2 0,82 7,2 × 10-16
B3 0,61 3,45 × 10-15 Z1
B4 0,32 2,68 × 10-17
B5 0,16 1,57×10-17 P1/P2 (Ti)
B6 0,09 5,4 × 10-16 N
Tableau III.2 : Récapitulatif des signatures des défauts obtenues lors d'une
impulsion sur la grille et identification proposée.
Chapitre III Etude des Défauts profonds dans les MESFETs 4H-SiC
109
III.3.2.5 Influence de la duré de pulse
Pour une durée de remplissage tp donnée, la proportion de centres profonds occupés
par des porteurs libres est fonction de la cinétique de remplissage de ces centres profonds. La
variation du signal CDLTS en fonction de la durée de remplissage peut mettre en évidence
des caractéristiques particulières de ces centres [Grillot’95, Shoucair’92 ; Omling’85,
Wosinski'89]. Une augmentation logarithmique de l’amplitude du pic CDLTS en fonction du
temps de remplissage peut prouver que les défauts sont étendus. Nous remarquons sur la
figure III.31, que les spectres CDLTS en fonction de la température se saturent lorsque l'on
fait varier le temps de pulse tp de 100ms à 1000 ms. Ceci montre que l'ensemble des centres
profonds répertoriés dans le tableau III-2 sont dû à des défauts ponctuels. Tous les pièges qui
ont été détectés (tableau III.2) dans les transistors MESFETs 4H-SiC avec un buffer P, sont
localisés soit dans la couche active soit aux interfaces associées couche passivation/canal,
canal/buffer/SI.
Pour discerner entre les différentes contributions nous allons analyser les résultats
d'expériences CDLTS en commutation de drain.
III.3.2.6 Résultats en commutation de drain
L'analyse en fonction de la température des transitoires de courant drain-source en
commutation de drain vise à :
50 100 150 200 250 300 350 400 4500,0025
0,0030
0,0035
0,0040
0,0045
0,0050
0,0055
0,0060
0,0065
0,0070
VDS=3V VGS=-6---0V
en=34.62s-1
tp=1000ms tp=500ms
Sign
al C
DLT
S(a.
u)
Température(K)
Figure III. 31 : Spectre CDLTS enregistré pour l’échantillon SiC 291 lors d'une impulsion sur la grille avec variation de tp.
Chapitre III Etude des Défauts profonds dans les MESFETs 4H-SiC
110
- diminuer la réponse des pièges en surface
- détecter et identifier les pièges présents dans les couches buffer et aux interfaces
associées buffer/canal et buffer/SI.
En effet lors d'impulsions sur le drain, la zone déplétée s'étend plus profondément
dans la structure que pour des impulsions sur la grille. Nous avons fixé la tension de grille à
une valeur faible vis-à-vis de la tension de pincement et nous avons étudié différentes
tensions de drain. Pour cela, la tension maximale appliquée sur le drain est de 13V, et la
tension minimale est égale à 6V. La grille est polarisée à -3V. La durée de l'impulsion est
fixée à 500 ms. Les mesures ont été réalisées dans la gamme de température 77K-450K. La
figure III.32 montre le spectre CDLTS correspondant. Ce spectre montre une large bande
dans laquelle apparaissent plusieurs pics en fonction de la température. Chacun de ces pics
correspond à un piège qui contribue au transitoires de courant.
50 100 150 200 250 300 350 400 450
0,005
0,010
0,015
0,020
0,025
0,030 VDS=6---13V VGS=-3V
tp=500msen=34.62s-1
Sign
al C
DLT
S(a.
u)
Température(K)
Figure III.32 : Spectre CDLTS enregistré pour l’échantillon SiC 291 lors d'une impulsion sur le drain pour une valeur de tp=500ms.
Chapitre III Etude des Défauts profonds dans les MESFETs 4H-SiC
111
III.3.2.7 Identification des pièges
La décomposition du spectre CDLTS (figure III.33) met évidence la présence de
quatre pics nommés respectivement C1, C2, C 3 et C4. Le tracé du diagramme d'Arrhénius
(figure III.34) permet d'extraire les signatures de ces centres profonds qui sont reportées dans
le tableau III-3.
2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
8,5
C1=0.82eV
C2=0.61
C3=0.53eV
C4=0.37eVLn(T
2 /en)
1000/T(K-1)
Figure III.34 : Diagramme d’Arrhenius pour les niveaux C1, C2, C3 et C4.
50 100 150 200 250 300 350 400 450
0,005
0,010
0,015
0,020
0,025VDS=6----13VVGS=-3Vtp=1000ms
C4 C3
C2C1
Sign
al C
DLT
S(u.
a)
Température(K)Figure III.33 : Spectre CDLTS enregistré pour l'échantillon S291, Ces conditions met en
évidences les présences de quatre pièges notés C1, C2, C3 et C4.
Chapitre III Etude des Défauts profonds dans les MESFETs 4H-SiC
112
Les énergies d'activation des défauts C1, C2 et C4 trouvées dans ces conditions sont
proches de celles des défauts trouvés lors de la commande de la grille (B2, B3 et B4).
Puisque lors d'une impulsion sur le drain, la profondeur de la couche canal est plus
efficacement sondée que lors de l'impulsion sur la grille, nous pouvons supposer que ces
pièges sont situés à proximité de l'interface canal/buffer. Plus particulièrement, le défaut C4
(B4) est un défaut détecté à la fois avec la technique DLTS capacitive et avec la CDLTS lors
de la commande de la grille et du drain ce qui nous permet de dire que ce défaut est plus
probablement localisé dans le canal [Dermoul’01]. Le défaut C3 n'est observé que lors des
mesures de CDLTS avec impulsion sur le drain. Ce piège est donc probablement situé près
de la surface à proximité du drain [Gassoumi’04].
Impulsion sur le drain Ea(eV)
σ(i) (cm2) Identification
des pièges
C1 0,81 4,3 × 10-17
C2 0,61 7,2 × 10-16 Z1
C3 0,54 3,45 × 10-15
C4 0,37 2,68 × 10-17
Tableau III.3 : Récapitulatif des signatures des défauts obtenues lors d'une impulsion sur le drain.
III.3.2.8 Comparaison entre la DLTS et la CDLTS
Technique Ea(eV) σ(cm2) IdentificationDLTS CDLTS
(grille) CDLTS (Drain)
DLTS CDLTS (grille)
CDLTS (Drain)
DLTS CDLTS (grille)
CDLTS (Drain)
B1 1,01 4,3× 10-17 V
B2 C1 0,82 0,81 7,2 × 10-16
B3 C2 0,61 0,61 3,45×10-15 Z1
C3 0,54
C4 0,37
E1 B4 0,32 0,32 1,5*10-
17 2,68×10-17
B5 0,16 1,57×10-17
B6 0,09 5,4 × 10-16 N
Tableau III.4 : Récapitulatif des différents résultats trouvés avec la DLTS et la CDLTS
Chapitre III Etude des Défauts profonds dans les MESFETs 4H-SiC
113
III.4 Conclusion. Notre objectif dans la première partie de ce chapitre a été d’une part d’identifier les
principales anomalies qui induisent les dysfonctionnements électriques d’un MESFETs 4H-
SiC avec un buffer P et d’autre part de caractériser les défauts profonds responsables de ces
anomalies.
Les caractéristiques statiques Ids=f(Vds) montrent la présence d’un effet d’hystérésis,
un effet de kink sur les transistors MESFETs 4H-SiC. De plus un shift en température de la
tension de seuil à été observé. Cette variation de la tension de seuil et ces parasites de
fonctionnements sont directement liés à l’existence de défauts profonds dans les transistors.
Dans le but d’identifier les défauts profonds dans le volume, des mesures de DLTS
capacité ont été effectuées avec des tensions inverses supérieures à la tension de seuil. Le
spectre DLTS montre la présence d’un défaut d’énergie d’activation de 0.32eV dont l’origine
n’est pas actuellement attribuée.
Pour compléter ces résultats des mesures de CDLTS avec des impulsions sur la grille
et sur le drain ont été réalisées avec des tensions inverses proches de la tension de seuil. Les
défauts détectés ont des énergies d’activation qui varient entre 0.09eV et 1.1eV. Les pièges
détecté avec la CDLTS par commutation sur la grille et sur le drain (Ea=0.82eV, Ea=0.62eV
et Ea=0.32eV) sont localisés en profondeur dans la structure.
Nous avons également observé que pour les faibles valeurs de en nous avons observé
un pic négatif potentiellement attribué à la présence des états de surface. Cette étude sera
l’objectif de la partie B de ce chapitre, dans laquelle nous allons étudier en détail ces états de
surface sur des transistors MESFETs 4H-SiC ayant un buffer optimisé ce qui permet de
s'affranchir de la réponse du substrat.
Nous pouvons conclure que l'ensemble de ces techniques de caractérisation est bien
adapté à l'étude des défauts profonds sur un dispositif comme le MESFET 4H-SiC et que
nous pouvons les utiliser de façon complémentaire.
Chapitre III Etude des états de surface dans les MESFETs 4H-SiC
115
Chapitre III : PARTIE B : Caractéristiques statiques
et états de surface dans les MESFET 4H-SiC
III.1 Introduction
Le comportement transitoire du courant de drain peut également être causé par des
états de surface. Pour cela, dans ce chapitre, nous présentons l’ensemble des mesures I-V
réalisées sur les transistors MESFETs 4H-SiC ayant une couche tampon optimisée afin
d’éliminer l'injection de porteurs au niveau du substrat (série 292).
III.2 Caractéristiques statiques.
III.2.1 Caractéristiques de transfert Ids-Vgs-T, pour un MESFET SiC
de longueur de grille 1µm.
Les réseaux des caractéristiques Ids-Vgs en fonction de la température qui sont représentés
sur les figures III.35, III.36 et III.37, montrent un décalage de la tension de seuil avec la
température. Ce décalage de tension de seuil entre 85K et 470K est de ∆V=4V.
-20 -15 -10 -5 0
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
Ids(
A)
Vgs(V)
T=85KV T= -12.42VS292, Lg=1µm
Figure III.35 : Caractéristique statique à T= 85K du MESFET 4H-SiC
Chapitre III Etude des états de surface dans les MESFETs 4H-SiC
116
-20 -15 -10 -5 0-0,05
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
Id
s(A
)
Vgs(V)
T=300KVT= -15.29VS292, Lg=1µm
Figure III.36 : Caractéristique statique à T=300K.
-20 -15 -10 -5 0
0,0
5,0x10-2
1,0x10-1
1,5x10-1
2,0x10-1
2,5x10-1
3,0x10-1
Ids(
A)
Vgs(V)
T=470KVT=-16.10VS292,Lg=1µm
Figure III.37 : Caractéristique statique à T=470 K.
Chapitre III Etude des états de surface dans les MESFETs 4H-SiC
117
Ce décalage est souvent détecté pour les transistors de puissance pour lesquels il y a
une surface importante entre la grille et le drain, ce qui est le cas ici. Comme nous l'avons vu
dans la partie précédente, ce décalage de la tension de seuil peut être expliqué par l’activation
thermique des défauts profonds à haute température.
III.2.2 Caractéristiques Ids-Vds-T, d’un MESFET SiC de longueur de
grille 1µm.
Les figures III.38, III.39 et III.40 montrent les réseaux de caractéristiques de sortie
Ids-Vds à différentes températures pour un transistor MESFET 4H-SiC (Lg=1µm, le buffer
est optimisé). Un premier réseau de caractéristiques est obtenu en fermant progressivement le
canal (Vgs de 0V à -10 V) puis consécutivement un deuxième réseau est enregistré en ouvrant
le canal (Vgs de -10V à 0V).
Figure III.38 : Caractéristiques statiques à T=85K d'un transistor de la série S292 avec une longueur de grille=1µm.
Figure III.47 : Evolution des transitoires de courant drain-source en fonction de la température pour un transistor de longueur de grille 1µm.
Chapitre III Etude des états de surface dans les MESFETs 4H-SiC
125
L'évolution des transitoires de courant présentés dans la figure III.46, est
caractéristique de processus d'émissions qui évoluent avec la température. En effet le
transitoire positif du courant traduit le vidage des pièges à majoritaires (ici électrons) et donc
la disparition d'une déplétion parasite qui limite le courant de drain. Nous notons une
évolution non monotone avec la température ; en particulier à partir de 400 K une forte
augmentation de la variation de courant. Nous verrons dans la suite que ceci est attribué à un
défaut profond en énergie, qui gouverne la conduction dans le canal. Dans le cas du transistor
de longueur de grille 1 µm (figure III.47), l'évolution des transitoires en température est plus
complexe. En effet, nous remarquons dans ce cas que la variation des transitoires de courant
présente trois comportements distincts :
- Dans la gamme de température au 85K-375K, nous retrouvons logiquement un transitoire
positif caractéristique d'un processus d'émission des majoritaires ;
- Dans la gamme de température au-dessus de 400 K, le transitoire est décroissant. Cette
diminution du courant peut-être due soit à l'émission de porteurs minoritaires, soit à la
capture des majoritaires ;
- Dans la gamme intermédiaire, à 400 K notamment, les deux mécanismes sont en
compétition et en conséquence transitoire est quasiment plat.
La figure III.48 montre les transitoires de courant drain-source pour deux valeurs de la
tension inverse (Vr = -4V et Vr = -10V). Dans les deux cas une impulsion a été appliquée sur
la grille du transistor MESFETs 4H-SiC avec une valeur maximale de remplissage Vp fixée à
0V.
Chapitre III Etude des états de surface dans les MESFETs 4H-SiC
126
Nous constatons que l’amplitude du transitoire est légèrement plus élevée quand la
tension appliquée sur la grille est forte (-10V). En effet une modulation plus importante de la
zone de charge d’espace associée à la grille du transistor entraîne une augmentation du
nombre de porteurs libres émis par les pièges profonds. D’après l’équation du courant Ids du
MESFET cette augmentation du transitoire traduit la présence de défauts répartis de façon
monotone dans l'épaisseur du canal.
III.3.2 Résultats de CDLTS en commutation de grille
III.3.2.1 Transistor à Lg = 16 µm
Dans cette partie le transistor MESFET à substrat 4H-SiC est polarisé en régime linéaire avec
une tension de grille Vr=-4V puis Vr=-10V et une tension de drain égale à Vds=8V ; la durée
d’impulsion est fixée à 1000ms. Sur la figure III.49 est représenté le spectre CDLTS pour une
tension Vr de -10V.
0 10 20 30 40 50 60 70 80
0,994
0,995
0,996
0,997
0,998
0,999
1,000
Ids/
Idss
Temps(ms)
Vr=-4V Vr=-10V
Figure III.48 : Evolution des transitoires de courant drain-source en fonction de l'amplitude de l'impulsion de grille Vp=0V
Chapitre III Etude des états de surface dans les MESFETs 4H-SiC
127
Ce spectre est composé d'une large bande située entre 150 K et 350 K composée de plusieurs
composantes que nous ne détaillerons pas ici, et d’un pic à une température de 450K qui
domine largement. C'est ce défaut qui contribue principalement aux transitoires qui, nous
l'avons vu (figure III.46) augmentent brutalement à partir de 400 K. L'énergie d'activation
déterminée pour ce piège est de 0.9 eV.
III.3.2.2 Transistor Lg = 1µm
Les mêmes paramètres de polarisation ont été employés pour ce transistor. Le spectre
de CDLTS est donné sur la figure III.50.
100 150 200 250 300 350 400 450 500
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
Si
gnal
CD
LTS(
a. u
)
Temperature T(K)
Vr=-10VVp=0VVds=8Vtp=1000msS292,Lg=16µm
C1
Figure III.49 : Spectre CDLTS enregistré lors d’une impulsion sur la grille avec Lg=16µm
Chapitre III Etude des états de surface dans les MESFETs 4H-SiC
128
Nous retrouvons dans ce cas une large bande entre 150 K et 400 K composée de quatre
composantes. La différence, surprenante, avec le cas du transistor Lg=16 µm est que le pic
principal dominant le spectre, cette fois-ci est négatif. Avant de discuter de l'origine de ce pic
nous donnons les signatures, déduites des tracés d’Arrhenius (Ln(T2/en)=f(1000/T)), des
quatre pièges à électrons à l'origine de la large bande positive. Ils sont nommés
respectivement D1, D2, D3, D4 Ces signatures sont reportées dans le tableau III.5.
Pièges Ea(eV) σa(cm2)
D1 0.18 5.2 × 10-17
D2 0.44 7.8 × 10-15
D3 0.57 2.89 × 10-16
D4 0.79 1.3 × 10-15
HL1(D5) 0.9 9.0 × 10-15
100 150 200 250 300 350 400 450 500
-0,04
-0,03
-0,02
-0,01
0,00
0,01
0,02
0,03
0,04
D5(Ea=0.90eV)
D4(Ea=0.79eV)
D3(Ea=0.57eV)D2(Ea=0.44eV)
D1(Ea=0.18eV)
Sign
al C
DLT
S(a.
u)
Temperature(K)
Vr= -4VVp=0Vtp=1000msVds=8V
Figure III.50 : Spectre CDLTS enregistré lors d’une impulsion sur la grille avec Lg=1µm
Tableau III.5 : Signature des pièges à électron lors d’une impulsion sur la grille du transistor Lg=1µm.
Chapitre III Etude des états de surface dans les MESFETs 4H-SiC
129
Comme nous l'avons vu dans la partie précédente, le défaut noté ici D1 correspond
probablement à l'impureté titane (défaut appelé B5 précédemment,) répartie uniformément
dans l'épitaxie constituant le canal.
Un défaut avec une énergie d’activation 0.44eV a été détecté uniquement par
J.Grillenberger, et al [Grillenberger’01] par des mesures de DLTS sur un échantillon implanté
avec du tantale. Toutefois la présence de cette impureté est peu probable ici.
Le défaut D3 correspond probablement au centre Z1 observé précédemment (partie A
de ce chapitre) (noté B3). Ce défaut est très probablement localisé dans la couche canal.
Finalement le défaut D4 qui apparaît avec une énergie d’activation de 0.79eV n'a pas
une origine identifiée. L'énergie est proche de celle du défaut appelé B2 précédemment (0.82
eV).
L'objectif dans cette partie n’est pas l’identification ou la localisation précise de ces
pièges mais plutôt la compréhension de l'origine du pic négatif correspondant à l’existence
d'un défaut se comportant comme un piège à trou. Nous appellerons ce piège HL1 dans la
suite (Hole Like 1).
III.3.2.3 Comparaison Lg = 1µm et Lg= 16 µm
Sur la figure III.51 sont comparés les spectres CDLTS pour Vr = -10 V dans le cas des
transistors Lg = 1 µm et Lg = 16 µm. Nous constatons, une symétrie frappante, du pic
dominant, positif dans le cas Lg = 16 µm (pic C1) et négatif pour Lg = 1µm (pic HL1). Le
tracé d'Arrhenius confirme ceci : le défaut HL1 (Ea=0.9eV, σa = 9.10-15 cm-2) a les mêmes
caractéristiques que C1.
Chapitre III Etude des états de surface dans les MESFETs 4H-SiC
130
Différentes origines peuvent être associées à un pic négatif [Gassoumi’06] :
- Pour des mesures de DLTS capacitives celui-ci peut provenir d'un artefact lorsque l'on a
une grande résistance série ou une fréquence de modulation importante pour la mesure de
la capacité différentielle (R2C2ω2 >> 1). Ce n'est d'évidence pas le cas pour une mesure de
DLTS courant où nous ne superposons pas de tension alternative à la polarisation grille.
- Un pic négatif évoque un piège à minoritaires, ici des trous, d'où l'appellation "Hole-Like"
que nous avons adoptée conformément à de nombreux auteurs. Toutefois on ne voit pas
d'où ces trous pourraient provenir dans une structure MESFET à canal n.
- Le comportement observé sur la figure III.51, évoque naturellement la présence d'un
défaut amphotère qui pourrait aussi bien échanger avec une bande que l'autre. Toutefois
l'énergie d'un tel défaut situé à la moitié de la bande interdite dans SiC serait de 1.5 eV
environ et non 0.9 eV comme nous l'obtenons.
La dernière explication envisageable est donc que le pic négatif soit dû à un
phénomène de capture. Ceci implique la présence d'un réservoir d'électrons dans la structure
afin que la probabilité de capture soit non nulle. Il est également nécessaire d'envisager des
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
-0,06
-0,04
-0,02
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
Vr=-10V, Lg=1µm Vr=-10V, Lg=16µm
tp=1000ms
Sign
al C
DLT
S(a.
u)
Temperature(K)
C1
HL1
HL2(Hole Like 2)
Figure III.51 : Spectre CDLTS enregistré pour deux transistors lors d’une impulsion sur la grille. Pour Lg = 16 µm le pic noté C1 a une amplitude positive, pour Lg = 1µm le pic noté
HL1 a une amplitude négative.
Chapitre III Etude des états de surface dans les MESFETs 4H-SiC
131
pièges à électrons vides après le pulse de remplissage. Pour cela nous devons considérer que
le niveau d'énergie du piège ne suit pas la courbure des bandes, ce qui ne peut être réalisé que
pour un piège en surface ou bien à proximité de l'interface canal substrat.
III.3.3 Interprétation
III.3.3.1 Phénomène de capture par un état de surface
Le mécanisme proposé est donc celui décrit sur la figure III.52. Un défaut situé en surface
bloque le niveau de Fermi. Ce niveau va ensuite pouvoir capturer des électrons.
Simultanément un phénomène classique d'émission par les pièges situés dans le volume du
canal est observé. Cette compétition entre les deux phénomènes explique l'allure particulière
des transitoires observée pour le transistor Lg = 1 µm notamment à 400 K. La question restant
en suspens est l'origine du réservoir à électrons. Nous avons vu dans la description des
caractéristiques statiques du transistor Lg = 1 µm que celui présentait un courant de fuite
important au niveau de la grille qui empêche le pincement du canal. Cette fuite au niveau de
la grille peut très bien être la "source" d'électrons. Il est alors logique, dans le cas de
l'échantillon Lg = 16 µm qui ne présente pas de courant de fuite de ne pas observer de
capture. Faute d'électrons à capter, le même niveau piège en surface de l'échantillon va
émettre des porteurs d'où la similitude frappante des deux pics hormis bien sur leur signe.
Figure III.52 : Schéma du diagramme de bande dans la région de drain montrant le processus de capture d’électron à l’interface SiC/SiO2.
E C
E F E T
E V
S
U
R
F
A
C
E Canal
E C
E F E T
E V
S
U
R
F
A
C
E
Défauts de Surface
Emission: pic positif
Capture: pic négatif
Chapitre III Etude des états de surface dans les MESFETs 4H-SiC
132
La présence d’un défaut localisé à l’interface canal/couche de passivation (SiC/SiO2)
est tout à fait probable envisageable étant donnée la forte densité d’états à cette interface
(1012cm-2/eV). Ho-Young Cha, et al [Ho-Young’03b] ont également étudié les états de
surfaces sur plusieurs structure MESFET à substrat SI 4H-SiC. Ils ont expliqué la
déstabilisation des réseaux de caractéristiques statiques Ids-Vds des transistors par la présence
des charges négatives dans la structure ; ces charges sont liées directement aux états de
surface. Enfin, le même type de phénomène de capture a été observé précédemment par
Kyoung et al [Kyoung’01] sur des transistors MESFETs GaAs. Dans ce cas le phénomène est
directement lié au piégeage des électrons émis par la grille par des états de surfaces situés
entre grille et source ou grille et drain lorsque la tension inverse Vr est égale à la tension de
seuil VT. Ces auteurs ont montré une augmentation de l’amplitude du pic DLTS en fonction
de la température lorsque les temps d’échantillonnage sont tels que t2/t1=4 pour les mêmes
valeurs de Vr et Vp. Cette variation est expliquée par l'augmentation du courant de fuite au
niveau de la grille avec la température. Nous avons donc vérifié également ce point afin de
confirmer l'interprétation donné pour l'origine du réservoir à électron. Sur la figure III.53 est
représenté le spectre CDLTS du transistor Lg = 1 µm pour différents taux d'émission
(autrement dit différentes températures du pic) en gardant le rapport t1/t2 fixe.
300 350 400 450
-0.04
-0.03
-0.02
-0.01
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
t1 = 6 ms en = 67 s-1
t1 = 9 ms en = 45 s-1
t1 = 12 ms en = 33 s-1
t2/t1 = 5
CD
LTS
Sign
al (a
.u.)
Temperature(K)
VDS=8VVR=-4V
Figure III.53 : Spectre CDLTS, pour différents valeur de en.
Chapitre III Etude des états de surface dans les MESFETs 4H-SiC
133
Nous remarquons une légère augmentation en intensité du pic négatif avec la
température matérialisée par une flèche sur la figure, tandis que l'intensité du pic positif reste
strictement constante. Ceci confirme l'effet de capture des électrons provenant d'une fuite au
niveau de la grille, fuite qui comme nous l'avons vu augmente avec la température.
D'autres études ont montré que les états de surface [Kerlain’04 ; Javorka’03] ou les
états d’interface [Ladbrooke’88] dans la région d’accès peuvent produire ce type de signal
(pic négatif). Si à la suite d’une impulsion sur la grille, l’occupation des états augmente par
les piégeages des électrons, la zone désertée et donc les valeurs des résistances d’accès
augmentent et le courant de drain présente un transitoire décroissant. Ce transitoire fait
apparaître un pic négatif sur le spectre CDLTS.
III.3.3.2 Variation de Vr
Pour confirmer l’hypothèse des états de surfaces, des mesures de CDLTS ont été réalisées, en
changeant différents paramètres tel que la tension inverse Vr, le temps de pulse tp et la tension
de drain-source Vds. En appliquant une tension inverse plus forte (proche de la tension de
pincement) nous observons un épaulement dans le pic négatif aux environs de 400 K (figure
III 54). En décomposant ce pic en deux composantes nous pouvons extraire les signatures des
deux défauts notés HL1 et HL2 (figure III.55).
Chapitre III Etude des états de surface dans les MESFETs 4H-SiC
134
350 400 450 500
-0,05
-0,04
-0,03
-0,02
-0,01
0,00
0,01
0,02
0,03
0,04
HL1
HL2
VDS=8V
VR=-4VVR=-10V
CD
LTS
Sign
al (a
.u)
Tem perature (K)
Figure III.54 : Spectre CDLTS montrant les deux pièges à trous HL1 et HL2
2,25 2,30 2,35 2,40 2,45 2,50 2,557,6
7,8
8,0
8,2
8,4
8,6
8,8
9,0
9,2
Ln(T
2 /en)
1000/T(K-1)
HL1 HL2
Ea=0.90eV
Ea=0.56eV
Figure III.55 : Diagramme d’Arrhenius pour les deux défauts de capture HL1 et HL2.
Chapitre III Etude des états de surface dans les MESFETs 4H-SiC
135
Pour la tension Vr=-4V, le courant de drain DLTS est sensible au pièges qui sont
localisé dans le canal et à sa surface. Alors que pour la tension Vr=-10V, proche de la tension
de pincement, le courant de drain est sensible aux pièges qui sont principalement localisé dans
le canal et aux interfaces associées canal/couche tampon et canal/SI.
Etant donné que le défaut HL2 apparaît pour les valeurs de la tension Vr proche de la
tension de pincement, nous pouvons considérer que ce défaut est situé au niveau de l'interface
canal/couche tampon [Dermoul’00, Gassoumi’06].
Un phénomène de capture a été également observé par Audren et al [Audren’93]. Ils
ont montré que le substrat devrait jouer un grand rôle au pincement. En effet si le drain est
polarisé et au départ la grille n’est pas polarisée, le canal conduit. Il existe une chute de
potentiel du niveau de Fermi des électrons dans le canal en bord de la grille du côté de drain
par rapport à celui du substrat du fait des résistances séries interne (résistance de drain) et
externe (résistance de charge). Lorsque la tension de grille est appliquée, le courant de drain
est réduit, ce qui implique une variation de la chute de potentiel et donc une variation de la
position du niveau de Fermi dans le canal par rapport à celui dans le substrat. Cette variation
implique une modification du confinement côté substrat et engendre des mécanismes de
capture.
III.3.3.3 Variation du temps de pulse tp
La figure III.56 montre les spectres obtenus à Vr = -10 V pour deux temps de pulse différents.
Nous constatons que le signal CDLTS est saturé aussi bien au niveau des pics positifs que
négatif ce qui implique le caractère ponctuel de l'ensemble des pièges responsables du signal
observé.
Chapitre III Etude des états de surface dans les MESFETs 4H-SiC
136
III.3.3.4 Mesure en condition de saturation
Une mesure en condition de saturation (pour Vds = 18 V) à été réalisée pour les transistors
Lg=1µm et Lg = 16 µm. Le cas du transistor Lg = 1 µm est représenté sur la figure III.57.
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500-0,05
-0,04
-0,03
-0,02
-0,01
0,00
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
Si
gnal
CD
LTS(
a.u)
Temperature(K)
tp=1000ms tp=100ms
VR =-10V
Figure III.56 : Spectre CDLTS à tp variable.
Chapitre III Etude des états de surface dans les MESFETs 4H-SiC
137
Nous remarquons l’absence du pic négatif HL1. En effet en régime de saturation, même pour
Vgs=0V, la zone de charge d’espace entre grille et drain est entièrement désertée. La ZCE de
cette zone n'est donc pas modulée lors de la séquence de pulse sur la grille et par conséquent
les défauts présents dans cette zone n'apparaissent pas. Comme la distance entre la grille et le
drain est 4 fois plus grand que la grille et la source (respectivement 2 µm et 0,5 µm), la
réponse dans la mesure de CDLTS est très peu sensible à l'interface canal/SiO2 qui n'est
sondée que du côté drain. Ceci explique alors pourquoi le pic négatif, noté (HL1) a disparu
lors de cette mesure et confirme bien sa localisation au niveau de la surface.
III.4 Conclusion.
La technique CDLTS a été utilisée ici pour la caractérisation des phénomènes de
capture présents prés de l’interface canal/passivation (SiC/SiO2). Cette technique est très
important pour l’analyse des défauts qui existe à l’interface SiC/SiO2. Elle nous permet de
caractériser deux pièges à trous appelés HL1 et HL2 qui apparaissent avec des énergies
d’activation 0.90eV et 0.56eV. Un modèle tenant compte de fuites au niveau de la grille
150 200 250 300 350 400 4500,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
0,14
C
-DLT
S Si
gnal
(a.u
.)
Temperature (K)
VDS = 18VVR = -4V
Figure III.57 : Spectre CDLTS enregistré pour un transistor MESFETs 4H-SiC lors d’une impulsion sur la grille et en régime de saturation.
Chapitre III Etude des états de surface dans les MESFETs 4H-SiC
138
permet de proposer une localisation du défaut HL1 à l'interface canal/couche de passivation.
Ceci est confirmé par les mesures en régime de saturation. Le niveau HL2 n’apparaît que pour
les valeurs de Vr très proche de la tension de pincement du composant étudié. Il est par
conséquent localisé à proximité de l’interface canal/couche tampon.
Ce point est très important à comprendre pour la suite des développements industriels
et pour l’application de ces composantes (MESFET SiC et HEMT GaN) à base de matériaux à
grands gap dans le domaine RF. En effet l’amélioration de la couche de passivation est une
point crucial pour ces composants [Javorka’03 ; Ladbrooke’88].
Références bibliographiques du chapitre III
138
Références bibliographique du chapitre III
[Achtziger’97] Achtziger, N. and Witthuhn, W.,
Band gap states of Ti, V and Cr in 4H-silcon carbide
Appl. Phy. Lett. 71(1), pp.110-112, 1997.
[Audren’93] Audren, P., Dumas, J. M., Favennec, M. P., Mottet, S.,
Étude des pièges dans les transistors à haute mobilité électronique sur GaAs à l'aide de la
méthode dite de "relaxation isotherme". Corrélation avec les anomalies de fonctionnement.
J. Phys. III France 3, p185(1993).
[Augustine’97] Augustine, G., McD, Hogbood, H., Balakrishna, V., Dunne, G. and
Hopkins, R.H.,
Physical Vapor Transport Growth and Properties of SiC Monocrystals of 4H Polytype
Phys. Stat. Sol. (b) 202 (1997), p. 137
[Battacharya’88] Battacharya, P.,
The relationship of the D-X centre in AlxGa1-xAs and other III-V alloys with the conduction
band structure
Semicond. Sci. Technol., 3, pp 1145-1156 (1988).
[Bluet’04] Bluet, J. M., Gassoumi, M., Dermoul, I., Chekir, F., Maaref, H., Guillot, G.,
Morvan, E., Dua, C., and Brylinski, C..
Hole-like Defects in n-channel 4H-SiC MESFETs observed by Current Transient
Spectroscopy
Materials Science Forum Vols. 483-485 (2005) pp. 865-868.
[Cha’03] Cha, H., C. Thomas, G. Koley, L.F. Eastman and M.G. Spencer
4H-SiC Lateral RESURF MOSFET with a Buried Channel Structure
Mater. Sci. Forum Vol. 433-436 (2003), p 749.
[Choi’99] Choi, K. J., I. L. Lee,
Determination of energy levels of surface states in GaAs metal–semiconductor field-effect
transistor using deep-level transient spectroscopy
Appl. Phys. Lett.74,pp1108(1999).
[Crowell’81] Crowell, C.R., Alipanahi, A.
Références bibliographiques du chapitre III
139
Transient distortion and nth order filtering in deep level transient spectroscopy (DLTS)
Investigation of growth processes of ingots of silicon carbide single crystals
J. of Crystal Growth, 1978, vol. 43, n°2 –p. 209-212.
[Thurber’82] Thurber, W., R., Fornan, R. A., Phillips, W. E.
A novel method to detect nonexponential transients in deep level transient spectroscopy
J. Appl. Phys., 1982, Vol. 53, N° 11, p.7397-7400.
[Van Kemenade'74] Van Kemenade, AW.C., Hagen S.H.
Proof of the involvement of Ti in the low temperature ABC luminescence spectrum of 6H SiC
Solid State Communication, 1974, Vol. 14, p. 1331-1333.
[Wosinski’89] Wosinski, T.
Evidence for the electron traps at dislocations in GaAs crystals
J. App. Phys., 1989, Vol.65, N°4,pp 1566-1570
[Zimmer’92] Zimmer, T., Bodi, D. O., Dumas, J. M., Labat, N., Touboul., A., Danto. Y.
Kink effect in HEMT Structures: a trap related semi-quantitative model and an empirical
approach for SPICE Simulation
Solid State Electr., 1992, Vol.35, N°10, p. 1543-1548
Chapitre IV Généralités et étude des défauts dans les HEMT AlGaN/GaN à substrat Si
144
Chapitre IV : Les HEMTs AlGaN/GaN sur substrat Si
Chapitre IV Généralités et étude des défauts dans les HEMT AlGaN/GaN à substrat Si
145
IV.1 Introduction :
Un changement radical dans le paysage de la microélectronique s’est opéré depuis les
années 1990 avec la généralisation des liaisons sans fil personnelles et grand public. Il s’agit
par exemple de la téléphonie et des réseaux locaux sans fils mais aussi des applications
automobiles (localisation et anticollision). Les porteuses utilisables s’étalent sur environ deux
décades de fréquences (1-10GHz et 10-100GHz). La multiplication des applications, et donc
des fréquences allouées, se traduit par des contraintes en matière de linéarité, bruit et
sensibilité sans oublier les contraintes sur le coût de fabrication qui doit permettre de grandir
des produits pouvant séduire le plus grand nombre de clients.
La diminution des coûts de fabrication passe par l’accroissement de l’intégration et
l’utilisation de matériaux faible coût. C’est dans ce cadre, que le semiconducteur le plus
employé dans le domaine de la microélectronique a toujours été le silicium (Si). Toutefois
cette technologie souffre de certains handicaps pour un fonctionnement aux fréquences
élevées, forte puissance et a haute température.
Pour les applications de forte puissance, l’apparition de matériaux à grande bande
interdite et en particulier la technologie à base de Nitrure de Gallium (GaN), constitue une
avancée sérieuse pour l’électronique HF de puissance. Les composants électroniques utilisant
ce matériau présentent en effet, grâce à ses propriétés physiques, des performances très
attirantes pour un nombre d’applications. Par exemple, la large bande interdite du GaN
(3.4eV) se traduit par un champ critique de claquage très élevé. Dans les transistors à effet de
champ (FET), cela implique des tensions de claquage supérieures à 50V et représente un
bénéfice appréciable dans des applications de forte puissance par rapport aux composants
Silicium ou III-V ou l’on dépasse rarement 20V. Les propriétés piézoélectriques de ce
matériau lui permettent aussi, par rapport aux autre matériaux, de meilleures potentialités en
courant maximum dans les structures de type HEMT ce qui accroît ses potentialités pour la
puissance.
Les transistors à effet de champ de type HEMTs à base de nitrure de gallium
(AlGaN/GaN) présentent de nombreux avantages (tension de claquage élevée, fonctionnant
dans le domaine des hyperfréquences, excellente conductivité thermique,….) en tant que
dispositifs électroniques destinés à fonctionner à haute température et à haute puissance. Des
travaux présentés dans la référence [Pribble’02] montrent de très bonnes performances vis-vis
des propriétés thermiques. D’autres publications rapportent d’excellentes performances en
terme de fréquence d’utilisation et en terme de puissance aux fréquences micro-ondes.
Chapitre IV Généralités et étude des défauts dans les HEMT AlGaN/GaN à substrat Si
146
Cependant, leurs performances sont affectées par divers effets parasites comme des effets de
coude ou encore courant de fuite au niveau des grilles des transistors. Dans la majorité des
cas, les raisons invoquées sont essentiellement des niveaux de pièges présents dans les
couches épitaxiales constituant le dispositif.
Ce chapitre débute par l’exposé de généralités sur le Nitrure de Gallium ainsi qu’une
rapide description des composants étudiés. Dans la suite, nous nous focaliserons sur les
propriétés des caractéristiques de sorties des transistors et nous analyserons les différentes
anomalies observées telles qu’un effet d’hystérésis en fonction du sens de balayage de la
tension de grille, un courant collapse, un fort courant de fuite observé et un effet de Kink.
Afin de déterminer l’origine physique des effets parasites observées sur les
caractéristiques des transistors HEMTs AlGaN/GaN à substrats Si; la technique CDLTS
(Conductance Deep Level Transient Spectroscopy) sera mise en œuvre. En effet, elle permet
d’explorer toute la zone du dispositif et de plus elle est applicable pour ce type
d’hétérostructures.
IV.2 Généralités sur le GaN
Le nitrure de gallium cristallise sous deux formes différentes. Le polytype
thermodynamiquement stable est la phase hexagonale (structure wurtzite : h-GaN). Le
polytype cubique (structure blende de zinc : c-GaN), thermodynamiquement métastable, peut
être également obtenu en utilisant des conditions de croissance adaptées. Dans cette partie,
nous décrivons de façon succincte les propriétés physiques, thermiques, électriques et
optiques du Nitrure de Gallium (GaN) et leur impact sur les performances des HEMTs à base
de GaN.
IV.2.1 Propriétés physiques
IV.2.1.1 Structure cristalline
La forme cristalline stable du GaN est hexagonale comme le montre la figure IV.1.
Les paramètres de maille les plus couramment obtenus à température ambiante sont
a=b=0.318nm et c=0.518nm.
Chapitre IV Généralités et étude des défauts dans les HEMT AlGaN/GaN à substrat Si
147
IV.2.1.2 Propriétés thermiques
Des travaux de recherche antérieurs [Duboz’95] rapportent une conductivité thermique
du Nitrure de Gallium (GaN) de l’ordre de 1.3 W.cm-1.K-1 qui est proche des valeurs obtenues
dans le cas du silicium. Cette valeur est trois fois plus grande que celle de l’Arséniure de
Gallium ou celle du saphir, mais trois plus faible que celle du carbure de silicium. Ceci est
capital pour les applications ou une forte dissipation de chaleur produite par le composant est
nécessaire. C’est le cas en particulier des transistors de puissance.
IV.2.1.3 Propriétés électriques du GaN
Le grand gap du GaN présente certes des avantages en termes de coefficient
d’ionisation par impact, de puissance mais, présente également quelques désavantages
comme :
des densités intrinsèques de porteurs extrêmement faibles (compensés
généralement par des effets piézoélectriques dans les dispositifs de type HEMT),
en pratique, les densités de charges sont bien supérieures aux valeurs attendues et
cela est due à la présence des défauts et de l’effet piézoélectrique dans le cas des
hétérostructures [Minko’04] ;
des performances en terme de mobilité des porteurs plus faibles que dans
l’arséniure de gallium (GaAs), en raison notamment des masses effectives qui sont
plus grandes.
GaN ou N
N ou GaN
a = b
Figure IV.1 : Structure cristalline du Nitrure de Gallium (GaN)
Chapitre IV Généralités et étude des défauts dans les HEMT AlGaN/GaN à substrat Si
148
Différents mécanismes limitent la mobilité et, suivant la température, chacun d’eux
peut jouer un rôle déterminant. A basse température, la diffusion par les impuretés neutres ou
chargées domine. La mobilité dépend alors de la qualité du matériau. A température moyenne,
ce sont les phonons acoustiques via le potentiel de déformation et le champ piézoélectrique,
particulièrement important dans le cas du GaN en raison du caractère fortement ionique des
liaisons, qui domine. Enfin, au delà de la température ambiante, ce sont les phonons optiques
qui limitent le plus la mobilité.
IV.2.1.4 Influence du substrat sur les propriétés optiques et structurales
La croissance par homoépitaxie de GaN nécessite des monocristaux de GaN massifs
qui ne sont produits que par un seul groupe dans le monde, le laboratoire UNIPRESS de
l’Université de Varsovie. Ces substrats, dont la croissance s’effectue à très haute pression et
haute température (1.5 GPa et 1400-1700°C), ont la plus faible densité de dislocations
obtenue à ce jour dans GaN : de l’ordre de 102 cm-2
[Porowski’98]. Toutefois ces substrats ne
sont pas commercialisés actuellement car leur coût de production reste très élevé et leur taille
est relativement modeste (1-2 cm pour une épaisseur de 50µm). Par conséquent, la croissance
des nitrures se fait encore presque exclusivement en hétéroépitaxie. Mais comme les
paramètres de maille et les coefficients de dilatation thermiques des substrats utilisés sont très
différents de ceux de GaN et AlN, les couches épitaxiées ont des densités de dislocations très
élevées (108-1010 cm-2) [Adelmann’02], [Barjon’02]. Les principaux substrats sont :
Le saphir (Al2O3) :
C’est le plus utilisé pour la fabrication de diodes électroluminescentes et diodes laser.
Il présente pourtant plusieurs défauts majeurs. En effet, le désaccord de maille avec GaN est
de 16%. De plus, sa conductivité thermique est faible ce qui pose un problème d’évacuation
de la chaleur dans les diodes laser. Une solution est de reporter les puces sur un substrat de
conductivité thermique plus élevée. Enfin, le saphir est un isolant ce qui ne permet pas de
réaliser un contact électrique directement sur le substrat.
Le carbure de silicium (SiC) :
Les deux polytypes utilisés pour la croissance des nitrures hexagonaux sont 4H et 6H.
Pour le type 6H, le désaccord de maille avec GaN est de 3.5 %. C’est un matériau conducteur
électriquement que l’on peut doper n ou p et sa conductivité thermique est nettement
supérieure à celle du saphir. Le principal inconvénient du SiC est son coût élevé. Par ailleurs,
les substrats actuels ne font que 3" de diamètre.
Le silicium :
Chapitre IV Généralités et étude des défauts dans les HEMT AlGaN/GaN à substrat Si
149
Il est moins utilisé que les deux précédents malgré son faible coût et ses plaques de
très grande taille car son désaccord de maille avec GaN est de 17%. Sa conductivité
thermique est intermédiaire entre celle du saphir et celle du SiC.
Al2O3
Surface (0001)
6H-SiC
Surface (0001)
Si
Surface (111)
d(GaN)(%) 16.1 3.5 -17.0
d(AlN)(%) 13.7 1.1 -19.4
λ(Wcm-1K-1) 0.5 3.8 1.5
Tableau IV.1: Désaccord de maille avec GaN (d(GaN)) ou AlN(d(AlN)) et conductivité thermique
des substrats [Adelmann’02]
IV.3 Le transistor HEMT
IV.3.1 Généralités
Les premiers transistors HEMTs sont apparus en 1980 (Fujitsu, Thomson) [Bon’99].
Ce composant possède plusieurs dénominations dans la terminologie anglo-saxonne,
TEGFET (Two-dimensional Electron Gas Field Effect Transistor), MODFET (Modulation
Doped Field Effect Transistor) mais également HFET (Heterojonction Field Effect
Transistor). Ce dernier terme est toutefois généralement plutôt réservé à un autre composant à
hétérostructure dans lequel le transport s’effectue dans un matériau dopé alors qu’il est non
dopé pour le HEMT.
Le HEMT apparaît comme une évolution majeure du MESFET (MEtal
Semiconducteur Field Effect Transistor) qui constitue la structure de base des transistors à
effet de champ (élaborés à partir des semiconducteurs III-V de type GaAs ou InP [Clei’96] ou
plus récemment GaN. Toutefois cette structure exige, pour la réduction des dimensions
nécessaire à la montée en fréquence de « surdoper » le canal conducteur ce qui est notamment
incompatible avec de bonne propriétés de transport en raison de l’influence néfaste des
interactions coulombiennes sur les propriétés de transport.
La structure HEMT permet de contourner le problème en séparant les porteurs mobiles
des charges fixes dont ils sont issus. Le transport électronique s’effectue au voisinage d’une
interface entre un premier matériau fortement dopé ayant la plus petite affinité électronique et
la plus grand gap et un second matériau non intentionnellement dopé (n.i.d) ayant la plus
grande affinité électronique et le plus petit gap. Cette interface, qui constitue le canal du
transistor, est une “hétérojonction“. Par la suite, lorsque la discontinuité de bande de
Chapitre IV Généralités et étude des défauts dans les HEMT AlGaN/GaN à substrat Si
150
conduction entre les deux matériaux est suffisante, la présence de cette hétérojonction permet
de confiner une importante densité de porteurs dans le matériau intrinsèque ou la mobilité la
vitesse électronique sont plus élevées. De plus la densité de ces porteurs est aisément
contrôlable par un potentiel de commande approprié sur la couche dopée par l’intermédiaire
d’une grille Schottky ce qui est à l’origine de l’effet de transistor recherché.
IV.3.1.1 Rappels sur le fonctionnement des transistors HEMT
Le principe de fonctionnement du HEMT est identique à celui d’un transistor à effet
de champ à grille Schottky de type MESFET [Clei’96]. La variation de la conductance, donc
celle du courant entre la source et le drain, peut être obtenue soit par celle de la section du
canal dans le cas du MESFET soit par celle de la densité de porteurs libres dans le canal dans
le cas du HEMT.
La structure d'un HEMT est présentée sur la Figure IV.2. Elle est constituée
essentiellement de trois matériaux différents : le substrat, un matériau à grand gap dopé et un
matériau à petit gap non dopé dans lequel va se trouver le canal. Une couche supplémentaire
superficielle (appelée Cap Layer et qui n’existe pas sous la grille) est formée par un matériau
de faible bande interdite pour permettre la réalisation des contacts ohmiques de source et de
drain. Cette couche est généralement fortement dopée afin de diminuer la valeur des
résistances de contact et donc celle des résistances d'accès. En dessous, une seconde couche
supplémentaire à grand gap non dopée supporte le contact Schottky de grille. Elle est
initialement épaisse et creusée par la suite pour améliorer le facteur de forme (rapport de la
longueur de grille sur l’épaisseur totale de couche à grand gap) et ainsi mieux contrôler la
densité des porteurs du canal par le potentiel de grille. Cette technique permet aussi de réaliser
une structure plus épaisse dans les zones d’accès qui seront ainsi moins résistives. En outre, le
« recess » de la grille a pour but de réduire le phénomène de conduction parallèle connu sous
le nom de MESFET parasite [Lee’84]. En effet, lorsque la couche dopée sous le contact
Schottky n’est pas totalement dépeuplée de porteurs, il s’y crée un canal parallèle à celui de la
couche non dopée à petit gap qui n’est autre que celui d’un transistor MESFET. Dans ce cas,
le courant contrôlé par l’électrode de grille est plus ou moins partiellement associé à des
porteurs à faible mobilité ce qui dégrade les performances. Notons que cet effet parasite, qui
détériore la transconductance gm du transistor, apparaît lorsque le creusement de grille est
insuffisant vis-à-vis de l’épaisseur et du dopage de la couche dopée à grand gap ou que la
grille n’est pas suffisamment polarisée en inverse. Cette couche de matériau à grand gap
dopée a pour rôle de fournir les électrons libres à la structure : c'est la couche donneuse. Son
Chapitre IV Généralités et étude des défauts dans les HEMT AlGaN/GaN à substrat Si
151
dopage, pouvant être volumique, est plus généralement réalisé par un plan de dopage silicium.
Elle est séparée des électrons libres du canal par un espaceur (’’spacer’’ en anglais) qui est
une couche de matériau à grand gap non intentionnellement dopé (nid), permettant d’éloigner
les atomes donneurs d'électrons des électrons du canal. Les interactions à distance entre
électrons et impuretés ionisées sont ainsi réduites ce qui améliore les propriétés de transport.
Plus cette couche sera épaisse, meilleure la mobilité des électrons sera dans le canal. A
l'inverse, le transfert des électrons de la couche donneuse dans le canal est favorisé par un
espaceur fin d’où la nécessité d’un compromis.
Le canal est donc situé dans la couche de matériau à petit gap non intentionnellement
dopée. Cette couche, importante dans la mesure où elle reçoit le gaz bidimensionnel
d'électrons qui constitue le canal, détermine les performances du composant à travers les
propriétés de transport des électrons qui la composent. Elle est séparée du substrat par une
couche tampon non intentionnellement dopée, communément appelée ’’buffer’’, qui permet
d'améliorer le confinement des électrons dans le canal en réduisant l'injection des porteurs
vers le substrat. Cette couche permet également, en « effaçant » les imperfections du substrat,
d'avoir un matériau de bonne qualité cristallographique nécessaire à la croissance des couches
supérieures.
IV.3.1.2 L’hétérojonction et le gaz bidimensionnel d’électrons
Dans le cas du HEMT, la juxtaposition d'un matériau à grand gap et d'un matériau à
petit gap implique l’existence d’une hétérojonction. Anderson a proposé le modèle de
Figure IV.2 : Structure d’un transistor HEMT
Chapitre IV Généralités et étude des défauts dans les HEMT AlGaN/GaN à substrat Si
152
l'hétérojonction qui sera le plus utilisé et deviendra une référence dans son domaine
[Castagné89]. Dans ce modèle, lors de la jonction de deux semi-conducteurs à bandes
interdites différentes, les niveaux de Fermi s'alignent. La conservation des paramètres
physiques de part et d'autre de l'interface entraîne des courbures des bandes de conduction et
de valence, ainsi que des discontinuités à l'interface pour ces deux bandes. Cette
"hétérojonction", illustrée par la Figure IV.3, entraîne la formation d'un puits de potentiel dans
le matériau à petit gap où transfèrent et s'accumulent les électrons provenant de la couche
donneuse dés lors qu’il existe une discontinuité de bande de conduction CE∆ d’au moins 0.1
à 0.2 eV entre les deux matériaux [Mathieu’01].
Le transfert de charges génère dans la couche donneuse une zone désertée. Le profil électrique
de la distribution des charges et la discontinuité des bandes au niveau de l’hétérojonction
déterminent la courbure des bandes de part et d'autre de cette hétérojonction et met en
évidence la formation d'un puits de potentiel de forme triangulaire dans lequel s’accumulent
des électrons à forte mobilité.
Nous appelons alors gaz d'électrons bidimensionnel (2DEG dans la terminologie anglaise :
two Dimensional Electron Gas), l'accumulation des électrons dans ce puits. Finalement
l'hétérojonction permet de réaliser la séparation spatiale des atomes donneurs ionisés et des
électrons libres. Ces électrons ne sont donc plus soumis aux interactions avec les impuretés
ionisées et peuvent alors atteindre des mobilités importantes, équivalentes à celle du matériau
intrinsèque. De plus, toute action sur la tension grille Vgs a pour effet de modifier la
Figure IV.3 : Structure de bande d’une hétérojonction en présence d’un potentiel de grille entre un matériau à grand gap et un matériau à petit gap aboutissant à la
formation d’un gaz-2D à l’interface (d’après [Castagné89])
Chapitre IV Généralités et étude des défauts dans les HEMT AlGaN/GaN à substrat Si
153
probabilité d’occupation des niveaux du puits quantique donc la valeur de ns : plus Vgs
décroît, plus ns diminue. Il existe en particulier une valeur VT de Vgs qui annule ns. Notons
enfin que dans le cas de la Figure IV.2, le canal du HEMT est situé entre deux matériaux de
grand gap. La structure de bande n'est plus alors constituée d'une seule hétérojonction, comme
sur la Figure IV.3, mais d'une double hétérojonction, augmentant ainsi le nombre d’électrons
susceptibles de participer à la conduction et améliorant leur confinement dans le canal.
IV.4 Eude des HEMTs AlGaN/GaN/Si
IV.4.1 Structures étudiées
La figure IV.4 montre une vue en coupe schématique des HEMTs d’AlGaN/GaN sur
substrat de silicium provenant de l’Institut d’Electronique de Microélectronique et de
Nanotechnologie (IEMN) de l’Université de Lille. La structure a été réalisée sur du silicium
(111) par la technique MBE (Molecular Beam Epitaxy) ou épitaxie par jets moléculaires qui
est une technique de croissance sous ultravide. La structure se compose d’un substrat de
silicium avec une résistivité qui varie entre 4000 et 10000 Ω.cm, d’une couche mince
d’AlN/GaN de 100nm qui permet de réduire les contraintes et ainsi limiter la quantité de
dislocations, d’une couche non intentionnellement dopé (nid) de GaN d’épaisseur 2µm, et
d’une couche AlGaN non dopé de 30nm d’épaisseur. Les dispositifs étudiés par la suite en
CDLTS présentent une longueur de grille de 0.5µm et une largeur de grille de 2×50µm. Des
dispositifs ayant une surface de grille plus importante (transistor "FAT"), spécialement
élaborés pour les mesures de DLTS ont également été étudiés. Toutefois les courants de fuites
Si(111) Forte résistivité : 4000-10000 Ω.cm
AlNAlN/GaN
GaN
Al0.25GaN0.75
GaN
GrilleSource Drain
Figure IV.4 : Coupe schématique des HEMTs d’AlGaN/GaN sur substrat de silicium
Chapitre IV Généralités et étude des défauts dans les HEMT AlGaN/GaN à substrat Si
154
trop importants sur ces transistors n'ont pas permis de réaliser les mesures de transistoires de
capacité et de courant.
IV.4.2 Caractérisations par des mesures courant-tension
THESE SOUTENUE DEVANT L'INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE LYON
NOM : GASSOUMI DATE de SOUTENANCE : 12 Juin 2006 (avec précision du nom de jeune fille, le cas échéant) Prénoms : Malek TITRE : Etude des défauts électriquement actifs dans les composants hyperfréquences de puissance dans les filières SiC et GaN. NATURE : Doctorat Numéro d'ordre : 2006-ISAL-0029 Ecole doctorale : Matériaux de Lyon Spécialité : Matière condensée, Surfaces et Interfaces Cote B.I.U. - Lyon : T 50/210/19 / et bis CLASSE : RESUME : La demande croissante de composants permettant d’opérer à de fortes puissances, à hautes fréquences et à hautes températures a conduit au développement de filières électroniques à base de semiconducteurs à large bande interdite tels que le nitrure de galium (GaN) et le carbure de silicium (SiC). Toutefois, la maîtrise encore imparfaite des matériaux en termes des défauts au sens large (impuretés, défauts cristallins) limite les performances des dispositifs à base de SiC et GaN. Dans ce travail de thèse nous nous sommes particulièrement intéressé à l’étude de deux dispositifs : les transistors MESFETs 4H-SiC et les HEMTs AlGaN/GaN/Si destinés à des applications hyperfréquences et puissance. L’étude des caractéristiques des sorties statiques de ces deux composants a révélé certains dysfonctionnements. Pour les MESFETs 4H-SiC, un effet d’hystérésis sur la conductance drain-source en fonction du sens de balayage de la tension de grille, un effet de kink et un décalage de la tension de seuil ont été mis en évidence. Une étude de défauts utilisant notamment la DLTS et la CDLTS, nous a permis de montrer que ces effets sont dus à la présence de défauts profonds dans la structure. Pour les HEMTs AlGaN/GaN sur substrat silicium (Si), un effet d’hystérésis, ainsi qu’un effet d’auto-échauffement ont été observés. Les mesures de CDLTS avec des impulsions sur le drain permis ont permis de mettre en évidence la présence de défauts étendus (dislocations) décorés par des pièges ponctuels. MOTS-CLES : Semiconducteurs à grand gap, Carbure de Silicium, Nitrure de Galium, Niveaux profonds, Pièges, MESFET, HEMT, DLTS, CDLTS. Laboratoire (s) de recherche : Laboratoire de Physique de la Matière(LPM) Laboratore de Physique des Semiconducteurs et des Composants Electroniques (Monastir ; Tunisie) Directeurs de thèse: Gérard GUILLOT Hassen MAAREF Président de jury : Composition du jury : MM. -Habib BOUCHRIHA Professeur -Christophe GAQUIERE Professeur -Hassen MAAREF Directeur de thèse -Gérard GUILLOT Directeur de thèse -Larbi SFAXI Examinateur -Jean-Marie BLUET Examinateur