Etude des défauts électriquement actifs dans les composants hyperfréquences de puissance dans les

Gassoumi Malek

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Sommaire Table des matières Introduction générale............................................................................................................... 5 CHAPITRE I : GENERALITES SUR LE CARBURE DE SILICIUM ........................... 9 I.1 Introduction................................................................................................................ 10 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 érite de Johnson (JMF) :.......................................................... 17 I.2.2.3 érite 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.................................................................................................I.3.1.2 Les dislocations.............................................................................................. ...

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Sommaire

Table des matières

Introduction générale............................................................................................................... 5

CHAPITRE I :GENERALITES SUR LE CARBURE DE SILICIUM........................... 9 I.1 Introduction................................................................................................................ 10

I.2 Propriétéset applications du SiC.............................................................................. 12 I.2.1 Polymorphismedu Carbure de Silicium ..............................................................12 I.2.2 PropriétésPhysiques du Carbure de Silicium ......................................................15 I.2.2.1 Lefacteur de mérite de Baliga (BMF) .............................................................17 I.2.2.2 Lefacteur de mérite de Johnson (JMF) :..........................................................17 I.2.2.3 Lefacteur de mérite de Keyes (KMF) : ...........................................................17 I.3 Lesdéfauts dans le Carbure de Silicium (SiC)........................................................ 18 I.3.1 Défautsétendus .................................................................................................... 18 I.3.1.1 Lesmicropipes ................................................................................................. 18 I.3.1.2 Lesdislocations ................................................................................................ 20 I.3.1.3 Fautesd’empilement ........................................................................................ 21 I.3.2 Défautsponctuels et impuretés ............................................................................22 I.3.2.1 Centresprofonds liés à des impuretés.............................................................. 22 I.3.2.2 Niveauxprofonds supposés d’origine intrinsèque ...........................................23 I.3.2.3 Niveauxsuperficiels ......................................................................................... 23 I.4 DISPOSITIFSELECTRONIQUES SUR CARBURE DE SILICIUM................. 27 I.4.1 Lesdiodes bipolaires en SiC................................................................................ 27 I.4.2 Ladiode Schottky en SiC.....................................................................................28 I.4.3 Ladiode JBS (Junction Barrier Schottky)............................................................29 I.4.4 LesTransistors HBT ............................................................................................30 I.4.5 Lestransistors Bipolaires .....................................................................................32 I.4.6 L’IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)........................................................33 I.4.7 Lethyristor GTO (Gate turnoff thyristor)...........................................................34 I.4.8 LesTransistors MOSFETs SiC............................................................................ 35 I.4.9 Lestransistors JFETen SiC ................................................................................37 I.4.10 LesTransistors MESFETs SiC. ...........................................................................39 I.4.10.1 Etatsde l’art sur les MESFETs SiC .............................................................40 I.4.10.2 Leseffets de pièges dans le substrat semiisolant du MESFET SiC............44 I.4.10.2.1 Effetsde ‘Selfbackgating’ .......................................................................45 I.4.10.2.2 Effetsde ‘ gatelag ’..................................................................................45 I.4.10.3 Rôlede la passivation pour le SiC ...............................................................45 I.5 Conclusion...................................................................................................................46

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES DU CHAPITRE I................................................ 47

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Sommaire

CHAPITRE II :TECHNIQUES DE CARACTERISATION DES CENTRES PROFONDS………………………………………………………………………………….58 II.1 Introduction................................................................................................................ 59

II.2 Modèleénergétique : Phénomène de relaxation du réseau cristallin.................... 59

II.3 Caractéristiquesdes défauts profonds ..................................................................... 61 II.3.1 Lesdéfauts profonds ............................................................................................ 62 II.3.1.1 Signaturedes pièges......................................................................................... 65 II.4 Principede la spectroscopie de transitoire de centres profonds (DLTS).............. 66 II.4.1 TechniqueDLTS boxcar...................................................................................... 70 II.4.2 Bancde mesure DLTS. ........................................................................................71 II.5 Méthoded’analyse des Transitoire de courant drainsource (CDLTS) ............... 72 II.5.1 Principede la méthode......................................................................................... 73 II.5.1.1 Mesuresen commutation de grille ................................................................... 73 I.5.1.2 Mesure en commutation de drain..........................................................................74 II.5.2 Dispositifexpérimental et information du banc de mesure.................................. 74 II.5.2.1 Bancde mesure ................................................................................................74 II.5.2.2 LaCryogénie .................................................................................................... 75 II.5.2.3 Excitationélectrique......................................................................................... 75 II.5.2.4 Voltmètrenumérique rapide.............................................................................75 II.5.2.5 Informatisationdu banc de mesure ..................................................................75 II.5.3 Circuitélectrique .................................................................................................. 77 II.5.4 Circuitimprimé .................................................................................................... 77 II.5.5 Analysedu transitoire de courant.........................................................................77 II.6 Conclusion...................................................................................................................78

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES DU CHAPITRE II.............................................. 79

CHAPITRE III :RESULTATS EXPERIMENTAUX ........................................................81

PARTIE A : ETUDE DES DEFAUTS PROFONDS DANS LES MESFETS 4HSIC.... 82

III.1 Introduction................................................................................................................ 82 III.1.1 Descriptiondes échantillons MESFETs 4HSiC .................................................83

III.2 Caractérisationsstatiques couranttension.............................................................. 84 III.2.1 Caractéristiquesde transfert................................................................................. 84 III.2.2 Caractéristiquesélectriques statiques IdsVds..................................................... 85 III.2.2.1 Présentationde l’effet de kink......................................................................88 III.2.2.2 Présentationde l’effet d’hystérésis. .............................................................91 III.2.3 Conclusionsur les mesures de caractéristiques de sorties ...................................96

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Sommaire

III.3 Caractérisationdes pièges dans le transistor MESFETs 4HSiC.......................... 96 III.3.1 Spectroscopiede défauts profonds par analyse de transitoires de capacité (DLTS).  96 III.3.1.1 Mesuresexpérimentales ............................................................................... 97 III.3.2 Spectroscopiede défauts profonds par analyse de transitoires de courant (CDLTS)............................................................................................................................. 100 III.3.2.1 Principede la méthode de mesure..............................................................100 III.3.2.2 Amplitudedes transitoires..........................................................................100 III.3.2.3 Détectionet identification des pièges profonds ......................................... 101 III.3.2.4 Résultatsen commutation de grille............................................................ 102 III.3.2.5 Influencede la duré de pulse......................................................................110 III.3.2.6 Résultatsen commutation de drain ............................................................111 III.3.2.7 Identificationdes pièges.............................................................................112 III.3.2.8 Comparaisonentre la DLTS et la CDLTS ................................................. 113 III.4 Conclusion................................................................................................................. 114

CHAPITRE III :PARTIE B : CARACTERISTIQUES STATIQUES ET ETATS DE SURFACE DANS LES MESFET 4HSIC......................................................................... 115

III.1 Introduction.............................................................................................................. 115

III.2 Caractéristiquesstatiques. ...................................................................................... 115 III.2.1 Caractéristiquesde transfert IdsVgsT, pour un MESFET SiC de longueur de grille 1µm........................................................................................................................... 115 III.2.2 CaractéristiquesIdsVdsT, d’un MESFET SiC de longueur de grille 1µm. ....117 III.2.3 CaractéristiquesIdsVdsT, pour des transistors de longueur de grille 4 µm et 16 µm. 119 III.2.4 Conclusionsur les caractéristiques statiques..................................................... 123

III.3 Spectroscopiede défauts profonds par analyse de transitoires de courant (CDLTS)................................................................................................................................ 123 III.3.1 Transitoiresde courant....................................................................................... 123 III.3.2 Résultatsde CDLTS en commutation de grille..................................................126 III.3.2.1 Transistorà Lg = 16 µm.............................................................................126 III.3.2.2 TransistorLg = 1µm...................................................................................127 III.3.2.3 ComparaisonLg = 1µm et Lg= 16 µm ......................................................129 III.3.3 Interprétation...................................................................................................... 131 III.3.3.1 Phénomènede capture par un état de surface ............................................131 III.3.3.2 Variationde Vr...........................................................................................133 III.3.3.3 Variationdu temps de pulse tp................................................................... 135 III.3.3.4 Mesureen condition de saturation ............................................................. 135

III.4 Conclusion.................................................................................................................136

Références bibliographique du chapitre III......................................................................... 138

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Sommaire

CHAPITRE IV :LES HEMTS ALGAN/GAN SUR SUBSTRAT SI ..............................144

IV.1 Introduction:............................................................................................................ 145

IV.2 Généralitéssur le GaN............................................................................................. 146 IV.2.1 Propriétésphysiques........................................................................................... 146 IV.2.1.1 Structurecristalline .................................................................................... 146 IV.2.1.2 Propriétésthermiques ................................................................................. 147 IV.2.1.3 Propriétésélectriques du GaN....................................................................147 IV.2.1.4 Influencedu substrat sur les propriétés optiques et structurales................ 148

IV.3 Letransistor HEMT ................................................................................................ 149 IV.3.1 Généralités..........................................................................................................149 IV.3.1.1 Rappelssur le fonctionnement des transistors HEMT............................... 150 IV.3.1.2 L’hétérojonctionet le gaz bidimensionnel d’électrons ..............................151

IV.4 Eudedes HEMTs AlGaN/GaN/Si........................................................................... 153 IV.4.1 Structuresétudiées.............................................................................................. 153 IV.4.2 Caractérisationspar des mesures couranttension..............................................154 IV.4.2.1 Caractéristiquesélectriques statiques IdsVdsT. ...................................... 154 IV.4.2.2 Caractéristiquesde transferts .....................................................................157 IV.4.2.3 Conclusionsur les caractéristique statiques............................................... 159 IV.4.3 Caractérisationdes pièges.................................................................................. 159

IV.5 Conclusion.................................................................................................................163

Références bibliographique du chapitre IV......................................................................... 165

CONCLUSION GENERALE .............................................................................................167

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