Investigation des mécanismes de piégeage par simulation physique et caractérisation électro-optique et impact sur les performances et la fiabilité des HEMTs GaN

Abstract

Le Nitrure de Gallium est devenu un matériau incontournable pour le développement de dispositifs semi-conducteurs aux performances très supérieures aux composants silicium. L'immense potentiel du dispositif HEMT AlGaN / GaN provient du gaz d'électrons à haute densité et à forte mobilité formé au niveau de son hétéro-structure. Cependant, le fonctionnement sous champ électrique, température et conditions de stress élevés rend le dispositif vulnérable aux problèmes de fiabilité qui limitent son efficacité et sa durée de vie. Les pièges présents dans la structure, qui limitent la densité porteurs du canal et pénalisent la réponse du dispositif, constituent le facteur majeur déterminant plusieurs effets électriques parasites et la fiabilité du dispositif. L’industrie du GaN est confrontée à la nécessité de disposer de dispositifs de haute fiabilité si bien qu’il est nécessaire de faire des progrès dans l’analyse de l’impact des pièges pour en déduire des solutions technologiques permettant leur inhibition.La motivation de ce travail est d’identifier les signatures électriques associées à l’activité de différents pièges ainsi que leurs conséquences sur les performances et la fiabilité des HEMT GaN grâce à une étude dédiée des dispositifs de la technologie GH-25 conçue pour des applications RF de puissance fonctionnant jusqu’à 20 GHz. L’étude utilise des simulations physiques TCAD. Une analyse détaillée des effets indépendants et interdépendants est réalisée afin d'identifier l'impact relatif des pièges pour des études de cas où les caractéristiques électriques présentent des écarts importants par rapport à la réponse idéale du dispositif.La méthodologie utilisée pour développer un modèle TCAD représentatif et dérivé de la physique interne est décrite en accordant une attention particulière au courant de fuite de grille qui reflète l'influence de processus physiques fondamentaux ainsi que les effets parasites couramment rencontrés dans les dispositifs GaN. Les simulations ciblées établissent un lien entre l'observation d'un problème de fiabilité et son origine sous-jacente dans les phénomènes de piégeage.L’établissement d’associations entre la localisation spatiale des pièges et les dégradations qu’ils pourraient provoquer est un objectif important de cette thèse.Plusieurs stratégies de simulation sont présentées, permettant d’explorer le comportement des pièges en régime permanent et en régime transitoire et donnant une perception détaillée de la manière dont les paramètres des pièges affectent les caractéristiques opérationnelles. Des approches pour distinguer les interactions de pièges différents sont également décrites. L’étude centrale de cette thèse est un phénomène de courant de fuite parasite complexe, identifié dans le procédé GH 25comme conséquence du vieillissement accéléré. Connu sous le nom de «belly-shape», il représente un exemple intéressant de la façon dont les stratégies développées peuvent être appliquées pour discerner la causalité, l'impact et l'évolution des pièges responsables du phénomène. Afin d'approfondir l'analyse des modes de piégeage, nous avons procédé à des tests de vieillissement accéléré et des caractérisations électro-optiques afin de modifier la dynamique générale du mécanisme de piégeage et d'observer la modulation du mécanisme du piégeage sur la réponse du dispositif.