Etude et simulation physique des effets parasites dans les HEMTs AlGaN/GaN

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Sous la direction de Nathalie Labat
Thèse soutenue le 14 décembre 2009: Bordeaux 1
Le développement des systèmes de télécommunication et de transfert d’informations motive la mise au point de systèmes de transmission qui permettent des débits plus élevés sur des distances plus grandes. De ce fait, les transistors utilisés dans ces systèmes doivent fonctionner à des fréquences et des puissances plus élevées. Différents transistors sont apparus pour répondre au mieux aux contraintes des applications visées par ces systèmes. Les transistors à haute mobilité électronique, HEMT, en nitrure de gallium (GaN) répondent actuellement aux applications allant de 1GHz à 30GHz. Pour ces applications, les HEMT GaN concurrencent avantageusement les technologies bipolaires et BiCMOS basées sur SiGe, les LDMOS Si et SiC, ainsi que les PHEMT GaAs. Même si la filière technologique GaN est encore récente, les HEMT GaN semblent prometteurs. A l’image des autres technologies III-V (InP, GaAs), les procédés de fabrication utilisés pour les HEMT AlGaN/GaN sont complexes et entraînent la formation de nombreux défauts cristallins. Des effets parasites de fonctionnement sont induits par des mécanismes physiques qui pénalisent le transport des porteurs dans la structure. De ce fait, à l’heure actuelle, ces effets parasites ont une influence négative sur les performances de ce transistor. Ils sont principalement liés aux pièges à électrons induits par des impuretés présentes dans le matériau ou des défauts cristallins. Malgré cela, les performances sont très prometteuses et rivalisent déjà avec d’autres technologies hyperfréquences (InP, GaAs, SiC et Si) puisque les HEMTs AlGaN/GaN débitent des puissances de 4W/mm à 30GHz [ITRS08]. Les travaux présentés dans ce manuscrit sont consacrés à l'étude des phénomènes parasites dans les HEMTs AlGaN/GaN. Les composants étudiés dans ce travail proviennent du programme blanc ANR CARDYNAL et ont été fabriqués par III-V Lab Alcatel-Thales. Une méthodologie a été développer afin de permettre la simulation TCAD d’un HEMT GaN dans l’objectif de valider ou d’invalider les origines des mécanismes de dégradation ainsi que des effets parasites. Le courant de grille a été spécialement étudié et un modèle analytique permettant de le décrire en fonction de la température a été développé. Les mécanismes de transport à travers la grille ont aussi été étudiés par simulation TCAD afin de les localiser géographiquement dans la structure du transistor.
-Composants III-V
-GaN
-Courant de grille
-HEMTs
-Simulation physique
-Physique du composant
-Simulation TCAD
III-V nitrides have attracted intense interest recently for applications in high-temperature, high-power electronic devices operating at microwave frequencies. Great progress has been made in recent years to improve the characteristics of nitride High Electron Mobility Transistors (HEMTs). However, it's necessary to study the mecanisms involved in the electron transport as the mechanic strain on the AlGaN layer, the fixed charge distribution and leakage currents. In this goal, from DC I-V measurements, pulsed I-V measurements and DCTS measurements, TCAD simulation are used to validate the assumption on the origin of the parasitic mechanisms on the electron transport. I-V measurement in temperature (from 100K to 200K) are used to identify the nature of mechanisms (Poole-Frenkel, band-to-band tunneling, thermionic,..). With this method, an accurate study of the gate current was done. To choose the different physical phenomena and which model to implement in the TCAD simulations, an analytical model was developed with a compraison with measurements. These mechanisms are validated by TCAD simulation. The comparaison between I-V measurements and simulation permit to localize (in the transistor) these parasitic mechanisms. In conclusion of this work, a high density of traps in a thin layer under the gate increase the probability of tunnelling current through the gate. When the gate bias increases, the high density of traps in AlGaN layer is using by electrons to leak by the gate. When the gate bias increases, the valence band in AlGaN layer is aligned with the conduction band in the channel. The very thin thickness of this layer (about 25nm) makes possible a band-to-band tunneling.
Source: http://www.theses.fr/2009BOR13975/document
Publié le : vendredi 28 octobre 2011
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.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
4.3.1
.
directe
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
76
.
Princi
.
e
.
la
.
et
.
atiques
64
.
2.7
.
Calibration
.
des
.
sim
.
ulations
.
.
.
.
.
.
76
.
Caracté
.
i
.
électrique
.
en
.
de
.
temp
.
.
.
.
.
.
.
3.3.4
.
s
.
n
.
réseaux
.
-V
.
diéren
.
tec
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
77
.
Caractéristiques
.
.
.
(V
.
.
.
V
66
)
2.7.1
.
La
.
caractéristique
.
I
.
6
.
.
.
(V
.
.
.
)
.
.
3.3.4.2
.
I
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
3.3.4.3
.
I
.
(V
.
,
.
.
.
)
.
.
.
.
.
.
.
.
66
.
2.7.1.1
.
La
.
tensio
.
n
.
de
3.4
seuil
I-V
.
es
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
3.4.1
.
n
.
des
.
I-V
.
.
.
.
.
.
66
.
2.7.1.2
.
La
.
transconductance
.
G
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
3.4.2
.
aut
.
-éc
.
t
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
83
67
Lo
2.7.2
du
La
oin
caractéristique
c
I
.
.
.
.
.
(V
.
.
.
.
.
)
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
3.4.4
.
n
.
n
.
e
.
la
.
de
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
87
.
Largeur
.
mpu
69
sion
2.8
sur
Conclusion
drain
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
3.4.4.2
.
d'i
.
l
.
appliquée
.
la
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
88
.
Inuence
.
durées
.
sur
.
caractéristiques
.
des
.
osan
.
InAlN/Ga
.
AEC1561
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
3.4.5
.
sur
.
s
.
Gate-lag
.
de
69
.
3
.
Caractérisations
.
électriques
.
et
.
phénomènes
.
parasites
.
75
.
3.1
.
In
.
tro
.
duction
3.5
.
des
.
instabil
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
3.6
.
ulation
.
la
.
virtuelle
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
98
.
Conclusion
.
.
75
.
3.2
.
Comp
.
osan
.
ts
.
caractérisés
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
100
.
Etude
.
couran
.
de
.
103
.
In
.
duction
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
75
.
3.3
.
Mesures
.
électriques
.
statiques
.
.
.
.
.
.
4.2
.
comp
.
t
.
et
.
c
.
I
.
(V
.
)
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
4.3
.
délisation
.
de
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
76
.
3.3.1
.
Le
.
banc
.
de
.
mesure
.
statique
105
.
En
.
olarisation
.
.
.
.
.
.
.
.
.
DS GS
m
DS DS
DS DS GS
DS GS
GS GS DS
GS GS
GSConclusion
.
.
ABLE
l'énergie
DES
.
MA
sortie
TI
uenc
ÈR
.
ES
.
7
Sc
4.3.2
.
En
.
p
TSB
olarisation
.
in
.
v
.
erse
.
.
.
.
Inuence
.
.
.
.
.
paramètres
.
de
.
.
.
la
.
.
.
la
.
.
.
AlG
.
Conclusions
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
de
.
olari-
.
.
.
.
.
.
.
4.4.2.2
.
de
.
I
108
couc
4.3.2.1
.
Premier
.
mécanisme
n
:
dans
TFE-DTTSB
.
.
127
.
des
.
.
.
.
.
n
.
e
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
143
.
.
.
.
108
.
4.3.2.2
.
Deuxième
.
mécanisme
.
:
.
eet
.
P
122
o
la
ole-F
dio
renk
en
el
directe
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
de
.
les
.
et
.
124
.
uenc
109
de
4.3.2.3
TSB
T
.
roisième
.
mécanisme
.
:
.
F
4.4.4
o
e
wler-Nordheim
de
.
couc
.
.
.
.
.
.
.
I
.
de
.
d
.
he
.
.
.
.
.
.
.
4.4.6
.
e
114
pièges
4.3.2.4
couc
Quatrième
.
m
.
écanisme
.
:
133
tunnel
.
bande
.
à
.
bande
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
A
.
matériaux
.
.
.
.
116
.
4.3.3
.
Concl
.
us
.
i
.
on
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
4.4.2.1
.
sur
.
caractéristique
.
la
.
de
.
hottky
.
p
.
sation
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
122
.
Inuence
.
I
.
sur
119
caractéristiques
4.4
transfert
Sim
de
ulation
.
TCAD
4.4.3
du
n
couran
e
t
l'épaisseur
de
la
grille
he
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
126
.
I
.
uenc
.
de
.
densité
.
pièges
.
la
.
he
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
119
4.4.5
4.4.1
n
De
e
scription
l'énergie
de
pièges
la
e
sim
couc
ulati
TSB
on
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
130
.
I
.
uenc
.
de
.
des
.
d
.
la
.
he
.
aN
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
4.5
.
.
.
.
.
.
.
.
119
.
4.4.2
.
I
.
n
.
uenc
.
e
.
des
.
mécani
.
smes
.
de
.
transp
.
ort
.
relatif
.
à
.
I
.
T
135
sur
139
les
Les
caractéristiques
électriques
.
GS
GÈR
T
8
T
I
ABLE
ES
DES
MAt
des
.............
des
pièges
sym
m
b
rmoionique
oles
de
Liste
I
el
L
renk
a.............
..............
passage
.......Densité
électrons
des
e
états
............Masse
de
des
surface
saturation
ole-F
grille-drain
............
.............
................Electronégativité
..............
o
maille
P
couc
.............
de
............T
............Champ
ra
de
v
bande
ail
d'activ
de
-F
sortie
........Energie
du
he
métal
électrique
l'eet
..............
our
m
............
..............
..............T
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ra
de
v
..............
ail
N
de
ermittivité
sortie
aramètre
du
eet
semi-conducteur
de
p
AlGaN
............
...........Energie
................Conductivité
th
t
lors
he
critique
r
............Niv
m
ermi
ique
.............Largeur
actifs
terdite
pièges
.............
............
des
..............Mobilité
o
électronique
el
de
m
........Densité
ation
..............
la
............Mobilité
F
de
..............
s
la
trous
...........Masse
..............
t
N
drain
directe
............
..............
L
.........Mobilité
de
élec
e
t
l'espace
roni
.............
qu
m
e
9
faible
.............Déformation
c
écanique
hamp
tunnel
du
.............P
mo
diélectrique
dèle
...............P
de
de
Canali
d
olarisation
par
p
......Epaisseur
.............
la
.............Champ
he
élec
E
t
.............
ri
seuil
qu
l'eet
e
du
en
E
d'idéalité
.............
r
électrique
............
E
..............Densité
.............
de
eau
couran
F
t
E
d'électrons
............
u
de
acte
in
............F
E
.............
eectiv
.............Densité
..........Energie
de
ation
couran
pièges
t
P
de
ole
trous
renk
.............
E
n
.............
............
.............
.............Hauteur
d'activ
de
des
barrière
de
Sc
couc
hottky
TSB
canal
trous
..............
e
.............P
.......Champ
oten
sous
tiel
grille
électrostatique
eectiv
le
..............
dans
......Couran
lectrons
de
............
de
............T
I
aux
électrons
de
............Couran
drain-lag
drain-source
é
des
des
........Longueur
............
l'espace
............T
L
aux
.............
de
de
gate-lag
grille-source
.....Densité
v
.............
............Largeur
...............Con
grille
train
eecti
te
............Masse
mécanique
..............
e
Nsurf

m
s

e
p
low
!
F
!
Jn!
Jp
B

DL
GL
"

"e
AlGaN
00
cr
F
G
PF
TSB
ZCE
DSAT
DS
GD
GS
G
e
h
t
2DEG
F
PFde
régime
série
T
de
ABLE
..............
DES
trous
MA
en
T
la
I
de
ÈR
de
ES
électrons
n
appliquée
10
appliquée
.............
.........P
............F
pulsé
acte
rep
u
participan
r
ue
d'idéalité
R
en
R
p
...........T
olarisation
............T
in
.............Largeur
v
lors
erse
.............
N
e
.........fraction
.........P
x(Al).............
au
seuil
de
..............
.............
.......Densité
o
de
mesures
pièges
h
dans
au
la
vi
couc
R
he
.........P
TSB
..............
P
un
de
..............
............
grille
............P
érature
olarisation
la
sp
érature
on
de
tanée
l'impulsi
P
le
ension
mesures
.............
t
...........P
de
olarisation
la
piézo
de
é
pulsé
lectrique
V
Q
du
.........T
oin
.............
os
V
en
électrons
pulsé
.............
olarisation
......Densité
au
de
t
c
lors
harge
n
dans
c
le
arge
canal
t
Q
phénomène
des
grille
.............
rt
.......Densité
lle
de
olarisation
c
...........Résistance
harge
s
nette
..............
à
..........Résistance
l'hé
sh
t
t
é
V
roin
...........Résistance
terface
T
AlGaN/GaN
..............
Q
emp
saturation
des
de
T
..........Vitesse
.............
.............
emp
......Densité
des
de
t
c
.............
harge
de
induite
on
par
sur
les
drain
p
de
olarisations
en
sp
pulsé
on
olarisation
tannée
.............Largeur
et
l'impulsion
piézo
sur
élec-
grill
trique
lors
de
mesures
la
régime
couc
V
he
..............
AlGaN
.............
Q
olarisation
..............
drain
v
p
..............
t
........Densité
rep
de
lors
c
mesures
harge
régime
induite
V
par
régime
le
.........P
s
de
états
grille
de
p
surfac
in
e
de
Q
os
drain
de
du
e
..............
d'aluminium
.........Densité
d'accè
R
TSB
sp
pz
2DEG
inter
pz+sp
surf
VG
C
sh
S
n
p
D
G
DS0
GS0
GS
DS
sat
TH

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