Influence d’irradiations par des neutrons thermalisés sur les caractéristiques électriques de transistors AlInN/GaN

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Introduction générale

De nos jours, les domaines militaires et aérospatiaux imposent des systèmes électroniques performants pouvant opérer à haute température, haute fréquence et/ou à forte puissance.
Les filières de puissance utilisent donc des semiconducteurs avec une grande bande d’énergie interdite, aussi appelée « gap ». L’un des candidats les plus prometteurs est le nitrure de gallium (GaN) car il possède un gap de 3,42 eV à 300 K. De plus, il est possible de fabriquer des composants électroniques à base de GaN qui répondent aux exigences en température [1] [2], en fréquence [3] et en forte puissance [4] imposées par leurs domaines d’utilisation. Les densités de puissance importantes de ces composants permettent une réduction de taille et de poids car les dimensions des systèmes de refroidissement s’en trouvent diminuées, ce qui est très intéressant pour les systèmes embarqués où la taille est primordiale [5].
On sait obtenir du GaN depuis les années 30 [6] mais ce n’est que depuis les années 1970 qu’on a commencé à l’utiliser pour la fabrication de composants électroniques [7]. Malgré cela, les difficultés de croissance et du dopage de type p ont freiné son développement. Il faut attendre les années 1980 pour obtenir une mise au point des techniques de dopage et de croissance de couches [8]. Une diode électroluminescente à base de GaN émettant dans le bleu et l’ultraviolet a été réalisée en 1989, ce qui prouve la faisabilité de composants avec du GaN. Dès lors, le GaN est devenu un matériau incontournable pour l’électronique.
La densité de porteurs intrinsèques du nitrure de gallium est de l’ordre de 2.1010 cm-3 à température ambiante et de 1.1013 cm-3 à 1000 °C alors qu’elle est de 1.1010 cm-3 à température ambiante et de 1.1019 cm-3 1000 °C pour le silicium [1]. La faible densité de porteurs intrinsèques permet ainsi de mieux contrôler la charge d’espace du composant et d’avoir un bon pincement des transistors.
Le GaN possède également une conductivité thermique de 1,3 W.cm-1.K-1, ce qui permet une dissipation thermique efficace en fonctionnement [9]. De même, le grand gap du GaN autorise des tensions de claquage supérieures à 100 V [10]. Sa mobilité électronique varie de 1480 [11] à 2200 cm2.V-1.s-1 [12] à température ambiante pour des hétérostructures AlGaN/GaN non dopées contre 8500 cm2.V-1.s-1 pour les composants GaAs [1], mais sa vitesse de saturation des porteurs (1.1017 cm.s-1) en fait un bon candidat pour les domaines de fréquences élevées [13].
Il existe plusieurs méthodes pour faire croître du GaN sur un substrat, parmi lesquelles la méthode MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) et la méthode MBE (Molecular Beam Epitaxy) [1]. La méthode MOCVD est la méthode la plus utilisée. Elle consiste à évaporer un composé organométallique, tel que le triméthylgallium ou le triéthylgallium, et de l’ammoniac sur la surface du substrat chauffé à 1000 °C à une pression de travail entre 4000 et 27000 Pa [14]. Il est possible grâce à cette méthode d’obtenir une vitesse de croissance de quelques µm.h-1. La méthode MBE consiste à évaporer ou sublimer, sous ultravide, les éléments de l’alliage et éventuels dopants. Ceux-ci sont ensuite absorbés à la surface du substrat. Pour le GaN, on utilise une source solide pour le gallium et du gaz (NH3 ou N2) pour l’azote. Le substrat est porté à une température comprise entre 450 et 850 °C, ce qui induit une vitesse de croissance lente inférieure à 1 µm.h-1 [1].
Le GaN massif étant difficile à faire croître, il est préférable de le déposer en phase vapeur sur des substrats tels que le saphir (Al2O3), le carbure de silicium (SiC), et le silicium (Si) [4] [15] [16]. Cela engendre malheureusement un désaccord de maille entre le substrat et le GaN et induit donc des défauts lors de la croissance. Il est notamment fait état d’un désaccord de maille de 30% entre le saphir et le GaN mais le fait de tourner la maille élémentaire de GaN de 30 ° par rapport à celle du saphir permet de réduire le désaccord de maille à 13%. Le SiC, quant à lui, possède un désaccord de maille de 3,5% [17] avec le GaN. Il possède en outre une plus grande conductivité thermique que le saphir (5,0 W.cm-1.K-1 contre 0,46 W.cm-1.K-1 pour le saphir [17]). Cela ferait de lui le candidat idéal si son prix et la difficulté à préparer sa surface ne venaient pas freiner son utilisation. Le meilleur compromis serait donc le silicium avec un désaccord de maille de 16% par rapport au GaN, une conductivité thermique de 1,54 W.cm-1 et surtout un faible coût.
Le dopage est incontournable lorsqu’on fait croître des matériaux semiconducteurs. Le GaN non intentionnellement dopé est de type n. Cela est souvent attribué aux lacunes d’azote [18]. Or la formation de ces lacunes est rendue difficile par leur énergie de formation [19]. Il apparaîtrait plutôt que ce dopage n soit le résultat d’une contamination d’oxygène ou de silicium du substrat, qui donne des niveaux donneurs peu profonds [18]. Malgré cela, des couches de GaN de forte résistivité, d’environ 1.104 Ω.cm, ont été obtenues par la technique MBE en utilisant une couche tampon [20]. De même, une résistivité d’environ 1.1010 Ω.cm a été obtenue par MOCVD là aussi en utilisant une couche tampon [21]. Le dopage n peut être réalisé en phase vapeur avec du silicium ou du germanium [20]. Le silicium donne un niveau donneur peu profond et son énergie d’ionisation est d’environ 60 meV. Son activation électrique et son incorporation dans la matrice sont proches de 1. Ainsi, le taux de dopage peut atteindre des valeurs supérieures à 1.1019 cm-3. Il est également possible de doper localement l’AlGaN et le GaN, en implantant des caissons de silicium sous les contacts ohmiques afin d’améliorer les propriétés électriques de ces derniers. Cela permet de réaliser des contacts ohmiques de bonne qualité tout en possédant un bon contact Schottky [22] qui est réalisé sur une couche de GaN ou d’AlGaN non dopée.
Le dopage p pose en général un problème pour les semiconducteurs à grand gap tel que le GaN car les énergies d’ionisation des accepteurs sont toujours relativement élevées. Ceci limite le nombre d’accepteurs ionisés, et par la suite le nombre de trous à température ambiante. Le magnésium est l’accepteur ayant le niveau le moins profond dans le GaN. Son énergie d’ionisation est tout de même comprise entre 150 et 170 meV et il est souvent neutralisé par l’hydrogène. En outre, la solubilité du magnésium dans le GaN et l’AlGaN est limitée. Cela entraîne des concentrations de trous généralement insuffisantes pour assurer des contacts ohmiques de faible résistivité. Afin de séparer l’hydrogène du magnésium, les couches sont recuites ou bombardées par des électrons par LEEBI (Low Energy Electron Beam Irradiation)
[8] [23]. Malgré cela, en l’état actuel des connaissances, le magnésium semble être le dopant p
le plus performant.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 : Influence des stress électriques sur le comportement électrique de transistors HEMTs AlInN/GaN
I. Introduction
II. Présentation des paramètres électriques des transistors étudiés
III. Influence des stress électriques sur des transistors AlInN/GaN
A. Structure et réalisation des transistors
B. Etudes préliminaires
C. Influence d’un stress à canal ouvert sur les caractéristiques
électriques de HEMTs AlInN/GaN
D. Influence d’un stress à canal pincé sur les caractéristiques électriques
de HEMTs AlInN/GaN
E. Influence d’un stress NGB sur les caractéristiques électriques
de HEMTs AlInN/GaN
F. Comparaison des trois stress
G. Conclusion sur les études concernant les stress électriques
IV. Etude d’électroluminescence au cours d’un stress à canal ouvert.
V. Conclusion du chapitre 1
Chapitre 2 : Influence d’irradiations par des neutrons thermalisés sur les caractéristiques électriques de transistors AlInN/GaN
I. Introduction
II. Présentation de la source utilisée
III. Effet des irradiations sur des transistors HEMTs AlInN/GaN
A. Influence des irradiations sur les caractéristiques électriques
transistors AlInN/GaN
B. Influence des irradiations sur les caractéristiques électriques
transistors AlInN/GaN stressés
1. Transistors stressés à canal ouvert
2. Transistors stressés à canal pincé
3. Transistors soumis à des stress NGB
4. Comparaison de l’impact des irradiations effectuées sur des transistors AlInN/GaN vieillis par des stress à canal ouvert, à canal pincé et NGB
Effets des irradiations sur des transistors MOS-HEMTs AlInN/GaN Influence des irradiations sur le comportement électrique HEMTs AlInN/GaN et de MOS-HEMTs AlInN/GaN
Conclusion du chapitre 2
3 : Influence de stress électriques et d’irradiations neutroniques sur des transistors du commerce de la filière GaN
Introduction
Conception d’un banc de mesures et de stress automatisé
Technologie des transistors NPTB00004
Influence des stress électriques sur les caractéristiques de transistors AlGaN/GaN de la marque Nitronex®
A. Etudes préliminaires
B. Influence du stress à canal ouvert sur les caractéristiques électriques
transistors AlGaN/GaN
C. Influence du stress à canal pincé sur les caractéristiques électriques
transistors AlGaN/GaN
D. Influence du stress NGB sur les caractéristiques électriques de transistors AlGaN/GaN
E. Comparaison des effets des trois types de stress
V. Influence d’irradiations neutroniques sur les caractéristiques électriques de transistors AlGaN/GaN de la marque Nitronex®
A. Influence des irradiations sur des transistors non stressés
B. Influence des irradiations sur des transistors stressés à canal ouvert.
C. Influence des irradiations sur des transistors stressés à canal pincé
D. Influence des irradiations sur des transistors ayant subi un
stress NGB
E. Conclusion sur l’influence des irradiations neutroniques sur
transistors NPTB00004
VI. Conclusion du chapitre 3
Conclusions et perspectives
Références
Annexe