Etude des mécanismes de défaillances et de transport dans les structures HEMTs AlGaN/GaN

Mohsine Bouya

Description

Sous la direction de Nathalie Saysset-malbert, Nathalie Labat
Thèse soutenue le 21 juillet 2010: Bordeaux 1
Afin de répondre à l’exigence croissante de densité de puissance aux hautes fréquences, les chercheurs se sont intéressés aux matériaux à large bande interdite tels que le nitrure de gallium GaN. Les HEMTs (transistors à haute mobilité électronique) AlGaN/GaN ne sont pas stabilisées et donc l’analyse de défaillance de ces composants est difficile (défauts multiples).Les mécanismes de défaillance des HEMTs GaAs sont difficilement transposables sur les HEMTs GaN et nécessitent donc une étude approfondie. De plus que les données actuelles sur les effets de pièges ne permettent pas d’expliquer facilement des effet parasites comme l’effet de coude. Ce qui nécessité de développer de nouvelles procédures d’analyse de défaillance adaptées aux composant GaN. Les dégradations induites par les électrons chauds sont difficilement détectables par la technique d ‘émission de lumière standard ce qui a nécessité le développement de la microscopie à émission de lumière dans le domaine de l’UV. L’objectif principal de ce travail est la mise au point d'une méthodologie d'analyse de défaillance pour les filières GaN et l’optimisation des techniques electro-optiques non destructives de localisation de défauts. En vue de l’amélioration des procédés technologiques, et de la fiabilité des HEMT GaN.
-HEMT AlGaN/GaN
-Analyse de défaillance
-Microscopie à émission de lumière dans le domaine visible-proche infrarouge et dans le domaine de l'UV
There are several economic and technological stakes, which require the development of suitable techniques for failure analysis on microwave devices, the HEMT (High Electron Mobility Transistor) AlGaN/GaN play a key role for power and RF low noise applications.The technologies are not completely stabilized and the failure analysis is difficult. Which need the development of a non destructive investigation techniques such as electroluminescence technics. To improve the GaN HEMT performance and reliability, understanding the failure mechanisms is critical. The standard emission light is not sufficient for hot-elctron detection in GaN material. And the development of UV light emission become necessary in the AlGaN/GaN HEMT.
Source: http://www.theses.fr/2010BOR14048/document

Informations

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Extrait

N° d’ordre : 4048
THESE

Présentée à

L’UNIVERSITE BORDEAUX 1

ECOLE DOCTORALE DES SCIENCES PHYSIQUES ET DE L’INGENIEUR

Par Mohsine BOUYA

Pour obtenir le grade de

DOCTEUR

SPECIALITE : Electronique

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Etude des mécanismes de défaillances et de transport dans les
structures HEMTs AlGaN/GaN

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Soutenue le 21 juillet 2010

Après avis de :
Michel MERMOUX Directeur de Recherche CNRS (LEPMI, Grenoble) Rapporteur
Christophe GACQUIERE Professeur Université de Lille 1 Rapporteur

Devant la commission d’examen formée par :

Dean LEWIS Professeur Université de Bordeaux 1 Président
Nathalie Malbert Professeur Université de Bordeaux 1 Directrice de thèse
Nathalie LABAT Professeur Université de Bordeaux 1 Co-directrice de thèse
Dominique CARISETTI Ingénieur TRT France Industriel
Jean-Claude CLEMENT Ingénieur TRT France
Benoît LAMBERT Docteur – Ingénieur UMS
Philippe PERDU Docteur - Ingénieur CNES




-2010- Remerciements



REMERCIEMENTS

Les travaux présentés dans ce mémoire ont été réalisés au laboratoire d’analyse des
technologies et des procédés industriels de Thales Recherche et Technologie à Palaiseau,
dirigé par Monsieur Jean-Claude Clement, que je remercie pour l’accueil au sein du
laboratoire.

Je remercie Madame le professeur N. Malbert, Directrice de cette thèse, pour la confiance et
l’autonomie qu’elle a su m’accorder tout le long de ces travaux.

Je remercie Madame le professeur N. Labat co-Directrice de cette thèse, pour son soutien, son
aide, et sa confiance durant ces années.

Je remercie tout particulièrement Monsieur D. Carisetti, ingénieur à TRT, pour son soutien
ainsi que pour toutes les réponses qu’il a pu me donner depuis le début de cette thèse, ainsi
que pour les nombreuses discussions enrichissantes que l’on a pu avoir ensemble.

Je remercie Monsieur P.Perdu, du CNES, pour son support et ses conseils, ainsi que pour son
acceuil ponctuel au sein du Centre National d’Etude Spatiale (CNES) à Toulouse.

Je remercie également M.Bonnet, J.Pataut, B.Lambert, et toutes les personnes d’UMS qui
mon apporté un soutien considérable pour mener à bien mes traveaux de thèse.

Je remercie Monsieur A.Curutchet du laboratoire IMS pour les différentes formations sur les
équipements du laboratoire.

Et enfin merci à toute l’équipe du LATPI, et l’équipe III-V du laboratoire IMS de Bordeaux
pour leur gentillesse et leur acceuil.















A ma femme Asma et ma petite fille Nour
Table de matières

TTTTAAAABBBBLLLLEEEE DDDDEEEE MMMMAAAATTTTIIIIEEEERRRREEEESSSS


REMERCIEMENTS ................................................................................................................ 2
TABLE DE MATIERES ......................................................................................................... 3
Introduction générale ............................................................................................................... 6
Chapitre I: Le HEMT AlGaN/GaN et ses dysfonctionnements .......................................... 8
I.1 Le HEMT à base de nitrure de gallium ........................................................................ 9
I.1.1 Propriétés des matériaux pour les applications de puissance et haute fréquence ...... 9
I.1.2 Le nitrure de gallium : un matériau révolutionnaire pour les composants de
puissance aux hautes fréquences ...................................................................................... 10
I.1.2.1 Polarisation spontanée ...................................................................................... 13
I.1.2.2 Polarisation piézoélectrique .............................................................................. 13
I.1.2.3 Comparaison des différents matériaux de base des transistors ......................... 15
I.1.2.4 Influence de la température sur les caractéristiques des semiconducteurs ....... 16
I.1.3 Fonctionnement d’un HEMT AlGaN/GaN .............................................................. 20
I.1.3.1 Historique .......................................................................................................... 20
I.1.3.2 Principe de fonctionnement .............................................................................. 20
I.1.3.3 Origine des électrons dans le canal : 2 DEG ..................................................... 23
I.1.3.4 Substrats pour le HEMT AlGaN/GaN ............................................................. 25
I.1.3.5 Structure physique d’un HEMT AlGaN/GaN ................................................... 25
I.1.3.6 Représentation électrique d’un HEMT AlGaN/GaN. ....................................... 27
I.1.4 Fabrication des HEMTs à base de nitrure de galium ............................................... 27
Etape 2 : Isolation inter-composant ...................................................................................... 28
Etape 3 : Contact ohmique drain-source ............................................................................. 28
Etape 7 : Interconnexions ...................................................................................................... 32
I.1.5 Applications et performances des composants à base de GaN ................................ 33
I.2 Les effets parasites de fonctionnement dans les HEMTs .......................................... 37
I.2.1. Introduction sur les effets de pièges ........................................................................ 37
I.2.2 L’effet de coude ....................................................................................................... 38
I.2.3 L’effet « collapse » .................................................................................................. 40
I.2.5 Mécanismes physiques associés au Gate-lag .......................................................... 43
I. 2.6 Dissipation thermique dans les composants de puissance ...................................... 45
I. 3 Mécanismes de dégradation ........................................................................................ 46
I.3.3 Stabilité du contact Schottky et du contact ohmique en fonction de la température 51
I.4 Conclusion générale ...................................................................................................... 55
I.5 Références du chapitre I .............................................................................................. 56
Chapitre II : Techniques d’analyse de défaillances des HEMT AlGaN/GaN .................. 70
II.1 Introduction ................................................................................................................. 71
II.2 Procédure en vue d’une analyse de défaillance sur composants actifs ................ 72
II.2.1. Généralités ............................................................................................................. 72
II.2.2 Analyse électrique de la défaillance dans un composant AlGaN/GaN HEMT ..... 74
II.2.2.1 Caractéristiques électriques statiques d’un HEMT.......................................... 74
II.2.2.2 Problème d’oscillation ..................................................................................... 76
II.2.2.3 Caractéristiques électriques en vue d’une analyse de défaillance des HEMTs
AlGaN/GaN. ................................................................................................................. 77
II.3 Techniques non destructives de localisation de défauts. .......................................... 78
II.3.1 Techniques de localisation de défauts induits par des effets thermiques .............. 78
II.3.1.1 Cristaux liquides .............................................................................................. 79 Table de matières


II.3.1.2 Microscopie infrarouge ................................................................................... 82
II.3.1.3 OBIRCH (Optical Beam Induced Resistance Change) ................................ 83
II.3.2 Techniques de localisation de défauts par photoémission ..................................... 85
II.3.2.1 Origine de l’émission de