Analysis of the physical mechanisms limiting performance and reliability of GaN based HEMTs

Analyse des mécanismes physiques qui limitent les performances et la fiabilité des HEMTs sur GaN Ce manuscrit présente les résultats d’une analyse exhaustive des mécanismes physiques qui limitent les performances et la fiabilité des transistors à haute mobilité d’électrons (HEMT) sur nitrure de gallium (GaN). En particulier : • Les phénomènes de dégradation à fort champ électrique des HEMT sur GaN sont analysés en comparant les données expérimentales avec les résultats de simulations physiques. Des stresses DC de 150 heures ont été effectués en conditions de canal ouvert et de pincement. Les effets des dégradations qui ont caractérisé ces deux types de stresses sont les suivants: une chute de courant DC de drain, une amplification des effets de gate-lag, et une diminution du courant inverse de grille. Les simulations physiques indiquent que la génération simultanée de piéges de surface (et/ou barrière) et de volume peut expliquer tous les modes de dégradation décrits plus haut. Les mesures expérimentales ont également montré que le stress en canal ouvert a causé une chute de la transconductance seulement pour de fortes valeurs de la tension VGS, alors que le stress au pincement a provoqué une chute de transconductance uniforme pour toutes les valeurs de VGS. Ce comportement peut être reproduit par la simulation physique pourvu que, dans le cas de stress a canal ouvert, on considère que les piéges s’accumulent au long d’une vaste région qui s’étend latéralement du bord de la grille vers le contact de drain, tandis que, dans le cas du stress au pincement, on considère que la génération des pièges ait lieu dans une portion plus petite de la zone d’accès à proximité de la grille et qu’elle soit accompagnée par une grande dégradation des paramètres de transport du canal. Enfin on propose que les électrons chauds et l’augmentation de la contrainte par le champ électrique soient à l’origine des dégradations observées après les stresses a canal ouvert et au pincement respectivement. • Les piéges dans les HEMT sur GaN ont été caractérisés en utilisant les techniques de DLTS et leur comportement associé de charge/décharge est interprété à l’aide des simulations physiques. Sous certaines conditions de polarisation, les piéges du buffer peuvent produire de faux signaux de piéges de surface, c'est-à-dire, le même type de signaux I-DLTS et ICTS attribués généralement aux piéges de surface. Clarifier cet aspect est très important à la fois pour les tests de fiabilité et pour l’optimisation des dispositifs, car il peut provoquer une identification erronée du mécanisme de dégradation, et par conséquent induire une mauvaise correction des procédés technologiques. • Les mécanismes physiques qui provoquent l’effondrement du courant RF dans les HEMT sur GaN sont analysés par le biais de mesures expérimentales et de simulations physiques. Ce travail propose les conditions suivantes : i) les piéges du buffer aussi bien que ceux de surface peuvent contribuer à l’effondrement du courant RF à travers un mécanisme identique qui impliquerait la capture et l’émission des électrons provenant de la grille; ii) la passivation de la surface diminue considérablement l’effondrement du courant RF par la réduction du champ électrique en surface et la diminution qui en découle de l’injection d’ électrons de la grille vers les pièges ; iii) pour des densités de piéges de surface inférieures à 9 × 1012 cm-2 , des barrières de potentiel superficiels dans l’ordre de 1-2 eV peuvent coexister avec des piéges de surface ayant des énergies plus faibles et qui causent l’effondrement du courant RF caractérisé par des constantes de temps relativement courtes. • Les effets de l’effondrement du courant dans les HEMT sur GaN sont étudiés en utilisant les résultats de mesures expérimentales et de simulations physiques. D’après les mesures pulsées, les dispositifs employés montrent un gate-lag considérable et un drain-lag négligeable qui peuvent être attribués à la présence de piéges de surface et de buffer respectivement.