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

Gassoumi Malek

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• Publié par: Sawyung
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Introduction Générale

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Pour tous les pays, les télécommunications sont une priorité incontournable. Les rapides développements de la recherche et de l’industrialisation ont permis à un large public d’accéder aux moyens modernes de communication. Les applications civiles telles que les télécommunications par satellites, les téléphonies mobiles, l’automobile avec le radar anticollision, les transmissions de données connaissent un essor rapide grâce à la maîtrise des techniques à mettre en œuvre. Ainsi, le développement spectaculaire notamment des communications mobiles au cours des dernières années a conduit à une recherche de technologies robustes et fiables, à des coûts relativement raisonnables dans le domaine de l’électronique. Les études développées dans le cadre de nouveaux marchés militaires et civils sont à l’origine d’une évolution importante de tous les secteurs d’activités de l’électronique hyperfréquence. Cette évolution est essentiellement dirigée vers le choix de nouvelles technologies autorisant en particulier des densités de puissance importantes et l’optimisation des composants actifs, intégrés dans de nombreux systèmes. C’est dans cette optique, que depuis de nombreuses années, l’industrie des technologies hyperfréquences utilise le transistor MESFET (Metal Semiconducteur Field Effect Transistor). Jusqu'à présent, les transistors MESFETs étaient réalisés dans une filière Arséniure de Gallium (GaAs). Toutefois, le GaAs et d’autres matériaux comme le Silicium sont utilisés beaucoup trop prés de leurs limites physiques ultimes, en particulier au niveau des densités de puissance fournies. C'est pourquoi, aujourd’hui, les semiconducteurs à large bande interdite suscitent un intérêt important. En effet, leurs propriétés physiques et électriques, que leur confère leur largeur de bande interdite, sont très intéressantes pour un grand nombre d’applications de fortes puissances et à très hautes températures. Pour des raisons stratégiques, essentiellement militaires, les recherches sur le Carbure de Silicium (SiC) en tant que matériau semiconducteur se sont développées au milieu des années 50. Au cours des dernières années, grâce aux progrès réalisés dans le domaine de la cristallogenèse, l’effort s’est accentué aux USA et, à l’heure actuelle, ce matériau occupe une position dominante dans ce domaine. Toutefois, la recherche s’est également développé au Japon et en Europe, le SiC étant considéré comme l’un des matériaux les plus prometteurs pour la réalisation de composants

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électroniques et de capteurs, pouvant fonctionner à très hautes températures, à très forte puissance et en milieu hostile (corrosion, irradiation). Au plan international, le développement d’une filière SiC est de fait en bonne voie puisqu’on peut trouver sur le marché quelques composants électroniques (Diodes Schottky, JFETs, MESFETs). Les transistors MESFETs sont en général utilisés dans des dispositifs actifs, tels que des amplificateurs de puissance et leurs fabrications sont compatibles avec la réalisation des circuits intégrés. Néanmoins la recherche de performances toujours plus élevées a entraîné l’apparition de nouvellesfilières HEMT. En, effet, le principal avantage du HEMT vient du fait que la croissance des hétérostructures permet le confinement des porteurs dans un puits bidimensionnel, créant ainsi un gaz d’électron bidimensionnel (gaz 2D) à très forte mobilité. Ces structures ont permis d’atteindre des fréquences élevées bien supérieures à 30GHz. Cependant, la conception de ces circuits reste une tache difficile. En effet, toute la réalisation technologique étant extrêmement onéreuse, il est indispensable avant la fabrication d’un circuit d’en prévoir le fonctionnement de la façon la plus exacte possible. En plus les nouvelles générations de téléphones mobiles reposent sur des nouveaux matériaux semiconducteurs sans défauts. Cependant ces importantes applications se trouvent limitées par plusieurs problématiques dont la plus importante est la maîtrise imparfaite de la qualité du matériau étroitement reliée à la qualité des substrats. Parmi les conséquences les plus fréquentes nous citons les anomalies qui apparaissent sur les caractéristiques électriques des dispositifs tels qu’un effet de kink (coude), un effet d’hystérésis et un effet d’auto échauffement. Ces anomalies (à part l'auto échauffement) sont généralement attribuées à des niveaux profonds présents dans la structure. L'optimisation d'une filière requiert la maîtrise de ces niveaux (localisation et identification). C’est dans ce cadre que s’inscrivent les travaux de cette thèse. L’objectif de cette thèse est de réaliser une caractérisation expérimentale aussi complète que possible des transistors MESFETs SiC développés par THALES (ex LCR de Thomson CSF), et des transistors HEMT GaN développés par l’Institut d’Electronique de Microélectronique et de Nanotechnologie (IEMN), et de contribuer à une meilleur compréhension de ces dispositifs par une étude approfondie des propriétés des défauts présents et à l'origine des dysfonctionnements. Le premier chapitre est consacré aux divers composants semiconducteurs à grande largeur de bande interdite, avec un intérêt tout particulier pour le Carbure de Silicium. Après avoir présenté ses propriétés physiques et électriques, un tour d’horizon sera effectué sur

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différents types de composants initiés à partir du Carbure de Silicium qui est le semiconducteur à grand gap dont on maîtrise le mieux la cristallogenèse et les technologies de réalisations des dispositifs électroniques. Ensuite nous donnons un récapitulatif des défauts étendus et des centres d’impuretés qui ont été identifiés jusqu'à présent dans le SiC. Puis nous présenterons l’état de l’art des MESFETs SiC étudiés dans le cadre de ce travail. Le second chapitre présente les technologies et méthodologies de caractérisation électrique utilisée dans le cadre de cette thèse en insistant sur la complémentarité des deux techniques utilisées pour analyser les défauts profonds : la Spectroscopie en régime transitoire des centre profonds (DLTS) et les mesures de transitoires de courant drainsource (CDLTS). Les appareillages expérimentaux associés aux manipulations spectroscopiques sera détaillé. Le troisième chapitre sera dédiée à l’étude des effet parasites qui apparaissent sur les caractéristiques statiques de sortie des transistors MESFETs 4HSiC tels que: l'effet d’hystérésis et l'effet de coude. Dans une première partie nous présentons l'analyse des défauts profonds ponctuels responsables de ces anomalies par les deux technique DLTS et CDLTS. La deuxième partie de ce chapitre est consacrée à l'étude d'un transistor dont la structure permet d'analyser les effets de surface. Dans le dernier chapitre, nous donnons un aperçu des propriétés générales du nitrure de Galium (GaN) et de ses alliages. Nous passons par la suite à une étude détaillée de l’influence des défauts profonds sur les transistors HEMT (High Electron Mobility Transistor) AlGaN/GaN/Si au moyen de la technique CDLTS. Cette étude permet aussi d’analyser l’impact de ces défauts sur les performances statiques des transistors. Nous établirons l’origine de ces défauts à partir de leur localisation dans la structure des transistors étudiés. Enfin, nous terminons ce manuscrit par une conclusion générale et des perspectives apportées par ce travail.

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