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

Gassoumi Malek

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Conclusion Générale

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Conclusion Générale La technologie des transistors de puissance MESFETs sur Carbure de Silicium est aujourd’hui en pleine évolution. Les résultats récents obtenus, tant aux EtatsUnis qu’on France, démontrent les progrès constants accomplis par cette technologie puisque des transistors unitaires susceptibles de fournir des puissances supérieures à 50W et des fréquences supérieurs à 1GHz ont été réalisés. Pour les MESFETs SiC, il ne suffit pas de « bons » contacts ohmiques séparés par une « bonne » barrière Schottky pour faire un composant de puissance RF efficace et stable, mais aussi il faut un substrat sans défauts. Les phénomènes d’instabilité pour les composants de type MESFETs SiC et HEMTs GaN/AlGaN ne sont pas nouveaux dans le monde des Semiconducteurs. Les analogies sont nombreuses avec ce qui est rencontré pour les composants de puissance GaAs. Nous retrouvons également les problèmes liés à la passivation qui reste l’autre point de faiblesse des transistors MESFETs 4HSiC et plus généralement pour des composants de puissance fonctionnant à haute tension. C’est dans ce cadre que nous avons présenté une étude menée sur des transistors MESFETs à base de SiC et HEMTs à base de GaN, destinés à des applications hyperfréquences. Nous avons observé pour les deux types de transistors des caractéristiques présentant des dérives importantes par rapport aux caractéristiques idéales. L'objectif de notre travail a été de comprendre l'origine de ces dysfonctionnements. Pour les transistors où les longueurs de grille sont de l’ordre de quelque micron, la capacité de grille est de quelque pF. Si l’émission et la capture des électrons induisent une variation de 3 capacité de l’ordre de 10Cg cette variation ne peut pas être détectée par la méthode DLTS capacitive. Les nombreuses techniques de caractérisation permettent de détecter les pièges dans un tel composant mais il est très difficile cependant, de les localiser dans le volume. La localisation physique des niveaux profonds permet d’une part de comprendre leurs influences sur le fonctionnement des transistors et d’autre part, de trouver des solutions technologiques pour minimiser les effets de pièges. Pour cela nous avons développé une technique de caractérisation des pièges au niveau des composants hyperfréquences telle que les MESFETs et les HEMTs à base des matériaux grand gap : la CDLTS. Son atout majeur est la localisation des pièges dans les transistors de faibles dimensions en régime de fonctionnement. En effet, pour les mesures en commutation de grille, la variation transitoire du courant drain source résulte de la modulation de la densité des pièges dans la zone de charge d'espace

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associée à la grille. Pour des tensions inverses loin de la tension de seuil l'extension de la zone de charge d'espace s'étend dans le volume de la couche active. Pour des tensions inverses proches de la tension de seuil, les pièges activés sont localisés dans le volume de la couche active et à l'interface couche active  tampon. Lors des mesures en commutation de grille la zone désertée s'étend aussi latéralement dans les zones d'accès entre grille et source et grille et drain. Les états de surface lents induits par les procédés technologiques associés à la surface peuvent aussi être détectés. Pour des mesures en commutation de drain: les pièges activés sont préférentiellement localisés dans la couche tampon ou dans le substrat et aux interfaces associées. Dans le cas des MESFETs 4HSiC différentes dérives ont été observées sur les caractéristiques de sortie (effet kink, autoéchauffement). La plus notable est l’effet d’hystérésis observé sur les caractéristiques IdsVds en fonction du sens de balayage de la tension de grille. L’étude des défautsprofonds de la structure MESFETs 4HSiC à substrat semiisolant et une couche buffer P par la DLTS et CDLTS. Ces deux techniques montrent que les anomalies observées sur les caractéristiques de sortie et bien dues à la présence des centres profonds dans la structure. En effet la DLTS apermis de mettre en évidence un défaut noté E1 dont l’énergie d’activation et de 0.32eV ce défaut a été détecté par la suite par le CDLTS lors d’une impulsion sur la grille donc on peut affirmer que ce défaut et localisé dans le canal. La CDLTS sur les mêmes échantillons avec des impulsions sur la grillemontre la présence de six pièges dont les énergies d'activation sont respectivement B1(1.01eV), B2(0.82eV), B3(0.61eV), B4(0.32eV), B5(0.16eV) et B6(0.09eV); ces défauts sont préférentiellement localisées dans le canal est aux interface associés. Canal/couche tampon ou/et canal/Substrat SI. Une proposition d'identification a été présentée. Les mesures de transitoires de courant drainsource en commutation de drain nous permettent de caractériser les couches profondes de la structure. En effet cette mesure montre l'apparition d'un niveau piège dont l'énergie d'activation est de 0.54eV localisé dans la couche buffer. Dans la deuxième partie de nos résultats expérimentaux nous avons mis en évidence les effets des états de surface sur des transistors MESFETs 4HSiC dont la couche buffer est optimisée afin de prévenir l'injection de proteurs chauds vers le substrat. Ces états sont principalement localisés aux abords de la grille et des zones d'accès. La dernière partie de ce travail est consacré à l’étude d’une structure plus complexe, en concurrence le MESFET SiC : le HEMT AlGaN/GaN sur substrat silicium (Si). L’évolution des caractéristiques statiques en fonction de la température a permis de montrer l’absence d’effet collapse, l’absence d’effet de coude, la présence d’effet d’auto

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échauffement, effet d’hystérésis et un décalage de la tension de seuil. Ces anomalies sont potentiellement reliées à l’existence de défauts profonds dans la structure étudiée. Pour en juger, nous nous somme attachés à l’étude et surtout à la localisation des défauts profonds présents dans la structure. Les mesures de CDLTS en commutation de drain nous ont permis de détecter des pièges localisés à proximité de la couche tampon. Quatre pièges dont les énergies d’activations sont respectivement : E a 0,07eV, E a 0,20eV, E a 0,5eV et E a 0,83eV ont été observés. Ces défauts ne sont pas observés lors d’une impulsion sur la grille du HEMT GaN/Si, ils sont donc probablement localisés entre le substrat et le gaz à deux dimensions (2DEG).

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