Etude des défauts profonds : RESULTATS EXPERIMENTAUX

Gassoumi Malek

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Chapitre III Etude des Défauts profonds dans les MESFETs 4H-SiC                                                  

 

  Chapitre III : RESULTATS EXPERIMENTAUX  

                     

         

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Chapitre III Etude des Défauts profonds dans les MESFETs 4H-SiC          

PARTIE A : ETUDE DES DEFAUTS PROFONDS DANS LES MESFETs 4H SiC -        

III.1 Introduction Tous les composants à base de carbure de silicium (SiC) ont des propriétés communes qui les rend extrêmement intéressants du point de vue de lélectronique de puissance : cest leur capacité à pouvoir opérer à haute température et sous forte tension inverse. Il existe également dautres types dapplications pour SiC, plus directement liées à la technologie hyperfréquence utilisée dans la téléphonie mobile, les satellites, les radarset qui nécessitent des composants spécifiques comme le MESFET 4H-SiC de puissance par exemple. Néanmoins, des défauts étendus et ponctuels sont présents dans le matériau avec des densités souvent importantes. Ils ont des effets néfastes sur les caractéristiques de sorties des dispositifs et sur leurs fiabilités. Ce chapitre est consacré à lanalyse des différents effets parasites sur les caractéristiques de sortie des transistors MESFETs à substrats 4H-SiC. Nous étudierons les caractéristiques statiques de sortie 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 fort courant de fuite et un effet de kink. Afin de déterminer lorigine physique des parasites observés, deux techniques seront mises en uvre: la DLTS (DeepLevelTransientSpectroscopy) qui permet danalyser les défauts au niveau de la grille du MESFET et la CDLTS (ConductanceDeepLevelTransient Squi permet dexplorer toute la zone du dispositif, et qui est en plus applicablepectroscopy) même dans le cas des structures de petites tailles.

 

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Chapitre III Etude des Défauts profonds dans les MESFETs 4H-SiC   III.1.1 Description des échantillons MESFETs 4H-SiC   Source   Drain SiO   2   SiO 2 N   +   tae N G + N Active layer Buffer layer

SI Substrate

Figure III.1 :Coupe transversale dun transistor MESFETs 4H-SiC

  Trois lots déchantillons ont été étudiés dans le cadre de cette thèse. Ils proviennent du Laboratoire Central de Recherche Thomson (LCR) maintenant Thalès. Ils sont réalisés sur des substrats 4H-SiC semi-isolant et diffèrent essentiellement par la nature de la couche tampon épitaxiée entre le substrat et le canal. Les caractéristiques sont reportées dans le tableau ci- dessous III-1 Propriétés S286 S 291 S292 Canal [Nd(cm -3 )] 1.2×10 17  1.8×10 17 1.8×10 17 Buffer [Na(cm 3 );e (µm)] 10 16 ; 0.3  5×10 15  optimisé buffer ; 0. 3 (Jonction pn) Tableau III.1 :Paramètres de la couche buffer et du canal des transistors étudiés. Les substrats 4H-SiC pour ces échantillons sont semi-isolants et élaborés à « CREE » par la technique PVT (Physical Vapour Transport). La structure des transistors est donnée sur la figure III.1. Lempilement est constitué de trois couche : une couche tampon de type P, une couche active de type N et dépaisseur qui varie de 0.3 à 0.4µm avec N d =1 à 2 10 17 cm -3 , la couche de contact est dépaisseur 0.2µm avec N d =10 19 cm -3 . La surface est passivée par une couche doxyde SiO 2 type de buffer on dispose de plusieurs puces montées en. Pour chaque boîtier. La longueur de grilles de ces transistors varie de 1µm à 32µm.

 

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Chapitre III Etude des Défauts profonds dans les MESFETs 4H-SiC   III.2 Caractérisations statiques courant-tension III.2.1 Caractéristiques de transfert. La mesure systématique des courbes Ids-Vgs à différentes températures nous a permis de suivre lévolution de la tension de seuil des transistors. Un exemple est présenté sur les figures III.2, III.3 et III.4.

 

 

 

3,5x10 -2 T = 8 0 K 0 -2 V d s= 10V 3,0x1 2,5x10 -2 2,0x10 -2 1,5x10 -2 1,0x10 -2 5,0x10 -3 V T = -5.65V 0,0 -5,0x10 -3 -10 -8 -6 -4 -2 0 V g s (V ) Figure III.2 :Caractéristique statique Ids-Vgs à T=80K. Lg = 16µm.  

T = 3 0 0 K 4,0x10 -2 V d s = 1 0 V

3,0x10 -2

2,0x10 -2

1,0x10 -2 0,0

 

V T = -6.05V -10 -8 -6 -4 -2 0 V g s (V ) Figure III.3 :Caractéristique statique Ids-Vgs à T=300K Lg=16µm  

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3 ,0 x 1 0 -2 T = 4 0 0 K V d s = 1 0 V 2 ,5 x 1 0 -2 2 ,0 x 1 0 -2 1 ,5 x 1 0 -2 1 ,0 x 1 0 -2 5 ,0 x 1 0 -3 0 ,0

 

V T = -6 .2 4 V

-1 0 -8 -6 -4 -2 0 V g s (V ) Figure III.4 :Caractéristique statique Ids-Vgs à T=400K. Lg=16µm

  Ces caractéristiques montrent un décalage de la tension de seuil∆V=0.59V entre 80K et 400K. Ce décalage de la tension de seuil peut être expliqué par lactivation de centres profonds localisés aux interfaces dans les structures. En effet si les centres profonds sont distribués de façon homogène dans le volume du canal, leur état de charge ninflue pas sur la densité de charge globale. Que les centres profonds (de même que les dopants légers) (lazote ici) soient vides on pleins (neutres ou ionisés), la tension de seuil est inchangée. Par contre, si ces pièges sont localisés au voisinage dune interface, ils vont selon leur état de charge créer une déplétion parasite dans le canal. Prenons par exemple le cas de pièges à électrons situés à linterface buffer/canal, lorsquils sont pleins à basse température, ils créent une déplétion parasite à l'arrière du canal. Dans ce cas la tension de seuil est plus petite lorsque les pièges sont vides (déplétion parasite supprimée).   III.2.2 Caractéristiques électriques statiques Ids-Vds Les mesures des caractéristiques courant-tension à la température ambiante constituent une première approche puisque cest la température habituelle du fonctionnement du dispositif. Les mesures à température variable permettent une étude plus approfondie des propriétés physiques des MESFETs 4H-SiC. Cest dans cette partie que nous essayerons de déterminer la nature et lorigine des courants observés.

 

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Chapitre III Etude des Défauts profonds dans les MESFETs 4H-SiC   Nous illustrons ci-dessous les résultats obtenus à température ambiante pour deux transistors de la série 286 et deux transistors de la série 291 (figures III.5, III.6, et III.7). Les caractéristiques, pour le transistor 286, sont quasiment idéales tandis que pour la série 291, nous observons des caractéristiques nettement plus perturbées. Premièrement un fort courant de fuite est apparent puisquil est impossible de pincer les transistors même à forte tension de grille (V G =-10V). Dautre part nous observons un saut dans la valeur du courant de saturation aux alentours de V ds =30V. Nous allons discuter dans la suite de cet effet connu sous le nom deffet kink (effet de coude en français). Dans ce chapitre nous utiliserons le mot anglais kink au lieu du français coude car cest un mot d'usage courant dans la physique des dispositifs électroniques.

 

T=300K 2,0x10 -1 S286 Lg=2µm Vgs 0V -1V   15x10 -1 -2.5V , -3V -4.5V -5V 1,0x10 -1

5,0x10 -2

0,0 05101520 V ds (V) Figure III.5 :Caractéristiques Ids-Vds à 300K pour un MESFET SiC 286 de lon ueur de rille 2 m.

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T=300K 0x1 1 S291Lg=2µm gV     s   2, 0 -  0V  -2V  4V -     1,5x10 -1  -6V -8V    -10V 1,0x10 -1

5,0x10 -2

 

 

0,0 0 10 20 30 40 Vds(V) Figure III.6 :   Figure III.6 :Caractéristique Ids-Vds à 300Kpour un MESFET SiC S 291 de lon ueur de rille 2 m.   -1 3,5x10 T=300K S291Lg=8µm 3,0x10 -1 Vgs 0V 2,5x10 -1 3-V V6 - - 2,0x10 -1 8V -10V 1,5 10 -1 x 1,0x10 -1 5,0x10 -2 0,0 0 5 10 15 20 25 30 35 Vds(V) Figure III.7 :Caractéristique Ids-Vds à 300K pour un SiC 291 de transistor lon ueur de rille 8 m.

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Chapitre III Etude des Défauts profonds dans les MESFETs 4H-SiC   III.2.2.1 Présentation de l’effet de kink. Cet effet se manifeste par laugmentation rapide du courant de drain, dans la région de saturation pour une certaine tension de drain que l'on appelle V Kink  ce qui conduit à une augmentation de la conductance drain-source (g ds ) et un faible gain en tension. Cet effet parasite est gênant aussi bien dans les applications analogiques que numériques; il est donc important de le comprendre pour pouvoir ensuite le réduire, afin de concevoir des dispositifs avec de bonnes performances. Plusieurs équipes de recherches ont analysé leffet de kink dans différents types de transistors à effet de champ comme le MOSFETs Si, le MESFETs GaAs, le HEMT AlGaAs/InGaAs ainsi que le HEMT AlInAs/InGaAs, et le HFET AlInAs/InP. Les hypothèses avancées sur lorigine de cet effet pour différents transistors restent incertaines [Georgescu97]. Les résultats expérimentaux ont confirmé que leffet kink est un phénomène complexe : à température ambiante, il diminue à basse fréquence (10-100 Hz) et il est absent pour les hautes fréquences [Georgescu97; Palmateer89]. Les diverses étapes technologiques ont des influences importantes sur les caractéristiques des transistors et en particulier sur leffet de kink. Une origine possible de cet effet a été proposée par Georgescu et al [Georgescu97] à partir dun mécanisme reposant sur la présence de centres profonds. Ceux-ci sont susceptibles de piéger puis de dépièger les porteurs sous leffet dun champ électrique régnant dans la zone Drain/Grille. Cette hypothèse a été également évoquée auparavant par Kruppa et al [Kruppa95]. Une autre hypothèse proposée est leffet de lionisation par impact [Sommerville96]. Ce comportement davalanche apparaît pour les valeurs de Vgs supérieures au pincement lorsque le transistor subit une ionisation par impact due à un fort champ de drain. Cette ionisation par impact implique une génération de paires électron/trou. Les électrons sont accélérés par le champ électrique et provoquent une augmentation du courant de sortie drain-source tandis que les trous séchappent à travers la grille entraînant ainsi lapparition dun courant négatif de grille. Enfin, une autre hypothèse proposée par Zimmer et al   hypothèses précédentes. C'est-à-dire que cet effet de kink[Zimmer92] rassemble les deux est provoqué à la fois par les défauts profonds et par lionisation par impact. En dautres termes une partie des trous générés par le phénomène dionisation par impact est capturée par les défauts profonds ce qui influe directement sur le courant Ids. Pour les transistors de la série 291 avec une longueur de grille 2µm et 8µm leffet de kink apparait uniquement à la température ambiante (figure III.6,7) et il disparaît à haute et à basse température (Figures III.8, III.9, III.10 et III.11).

 

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  1,2x10 -1 T=80K S291,Lg=2µm Vgs    1,0x10 -1  0V -2V     -4V   8,0x10 -2  -6V  -8V  -10V 6,0x10 -2 4,0x10 -2 2,0x10 -2 0,0 0 10 20 30 40 Vds(V) Figure III.8 :à 80K pour un transistor SiC 291 deCaractéristique Ids-Vds lon ueur de rille 2 m.

 

1,6x10 -1 T=475K S291,Lg=2µm Vgs 1,4x10 -1  0V -2V   -4V   1,2x10 -1  -6V  -8V 1,0x10 -1  10V - 8,0x10 -2 6,0x10 -2 4,0x10 -2 2,0x10 -2 0,0 0 10 20 30 40 Vds(V) Figure III.9 : SiC 291 deCaractéristique Ids-Vds à 475K pour un transistor lon ueur de rille 2 m.

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T=80K 2,5x10 -1 S291 Lg=8µm Vgs 2,0x10 -1 3V   - 0V   -6V 1,5x10 -1 -8V -10V   1,0x10 -1

5,0x10 -2

 

0,0 0 5 10 15 20 25 30 35 V ds (V) Figure III.10 :Caractéristique Ids-Vds à 80K pour un SiC 291 transistor de longueur de grille 8 µm.

2,5x10 -1 T=465K S291 Lg=8µm Vgs 2,0x10 -1 0V -3V -6V 1,5x10 -1 8- 1-  V  V0 1,0x10 -1

5,0x10 -2

0,0

 

0 5 10 15 20 25 30 35 40 V ds (V) Figure III.11 :Caractéristique Ids-Vds à 465K pour un transistor SiC 291 de lon ueur de rille 8 m.  

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Chapitre III Etude des Défauts profonds dans les MESFETs 4H-SiC   Cette dépendance avec la température peut sexpliquer par létat de charge des défauts profonds. A haute température, sous leffet dionisation par lénergie thermique les pièges sont constamment vides quelle que soit la tension Vds. A basse température, au contraire ils seront figés dans létat occupé. Ce nest que dans une certaine gamme de température, lorsque le niveau de Fermi croise le niveau piège que les échanges de porteurs avec les bandes seront possibles. Cest donc dans cette gamme de température que leffet kink apparaitra. Cette hypothèse de présence de défauts profonds dans les transistors étudiés sera développée dans le paragraphe où lon étudie en détaille les pièges avec les techniques DLTS capacitive et CDLTS.

III.2.2.2 Présentation de l’effet d’hystérésis. Le deuxième effet parasite que nous avons observé sur les réseaux de caractéristiques statiques Ids-Vds est un effet que nous appellerons par la suite hystérésis. Il consiste en une baisse du courant de drain lorsque les caractéristiques sont enregistrées en ramenant la tension de grille à 0V après lavoir abaissée au voisinage de la tension de pincement. Ce phénomène sobserve parfaitement à la température ambiante pour le transistor S291 dune longueur de grille 8µm uniquement pour Vgs = 0 (figure III.12). Lorsque la température augmente, l'effet s'estompe puis finit par disparaître comme nous pouvons l'observer sur la figure III.13 pour laquelle les caractéristiques ont été enregistrées à 465 K.

 

3,5x10 -1 T=300K,S291 Lg=8µm 3,0x10 -1 Vgs                      Vgs 0V 0V -3V -3V 2,5x10 -1 V8 6-6V -  V   -  V -8 -10V -10V 2,0x10 -1 1,5x10 -1 1,0x10 -1 5,0x10 -2 0,0

 

0 5 10 15 20 25 30 35 Vds(V) Figure III.12:Caractéristiques statiques Ids-Vds a T=300K S291 Lg=8µm, montrant leffet dhystérésis.

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