Realization and characterization of AlGaN/GaN HEMTs on silicon for high voltage applications.
Réalisation et caractérisation de HEMTs AlGaN/GaN sur silicium pour applications à haute tension
Résumé
This thesis is a contribution to the development of AlGaN/GaN HEMTs on silicon substrates for low frequency and applications under high voltages (typically 600V) as switches for home automation or power circuits of electric vehicles. It was conducted in close collaboration with Picogiga who made all epitaxy. It is composed of three parts: development of manufacturing technology, study of leakage currents, improving the insulating barrier and search behavior “normally”.The realization of low resistivity ohmic contacts is the crucial step in the manufacture of AlGaN / GaN HEMTs power. Optimization of the stack of metal used, the temperature and annealing time and the search for a compromise on the distance metallization - electron gas, has allowed us to achieve ohmic contacts around the state s (0.5 Ohm. mm).The origin of the leakage current has been systematically studied in five different kinds epitaxy. The distance gate - drain and leakage currents were both identified as being factors limiting the breakdown voltage. According to the structure, the leakage currents take place either through the grid (~ e-8 A/mm at 210V), or in parallel to the channel (e-5A/mm). In both cases, these currents are comparable to leakage currents through the buffer (ie current measured between two mesas). These leakage currents were attributed to transition layers required for the adaptation of the epitaxial nitride layers on the silicon substrate. Achieving AlGaN HEMT / GaN on silicon for high voltage applications pass through to an improvement in these buffer layers.We have demonstrated that it is possible to improve the insulation of the AlGaN barrier through hydrogenation of the material. In effect a surface treatment by a hydrogen plasma allows, by diffusion, to incorporate hydrogen which passivates the through dislocations. After treatment, the gate leakage current is reduced and the breakdown voltage of 400V is pushed with leakage currents of the order e-6A/mm. Under these conditions, when the breakdown occurs at the surface of the sample, is no longer limited by the gate-drain distance. This result opens the way for the realization of HEMT with high breakdown voltage (V ~ 600V).The effect of plasma fluorinated SF6 on the electrical characteristics of the HEMT (AlN/GaN)/GaN (barrier is AlN/GaN superlattices) was studied for the first time in this thesis. The fluorine ions incorporated in the barrier act as donors that increase the density of the two-dimensional gas of electrons and the shifting to the voltage clamping negative voltages. This effect is opposite to that observed in the HEMT in AlGaN barrier. This result eliminates the possibility of the HEMT (AlN/GaN)/GaN "normally off" by fluorine doping, a simple and effective technique that gives good results on AlGaN HEMT barrier. On the other hand, it brings some experimental answers to theoretical predictions using fluorine doping for n-type or p in III nitrides.
Cette thèse est une contribution aux développements de HEMTS AlGaN/GaN sur substrat de silicium pour des applications basses fréquences sous fortes tensions (typiquement 600V) comme les commutateurs pour la domotique ou les circuits de puissance des véhicules électriques. Elle a été menée en collaboration étroite avec Picogiga International qui a réalisé toutes les épitaxies. Elle est composée de trois parties : développement d'une technologie de fabrication, étude des courants de fuite, amélioration du pouvoir isolant de la barrière et recherche d'un comportement “normally off”. La réalisation de contacts ohmiques peu résistifs est l’étape cruciale de la fabrication des HEMTs AlGaN/GaN de puissance. Une optimisation de l'empilement des métaux utilisés, de la température et du temps de recuit ainsi que la recherche d'un compromis sur la distance métallisation – gaz d'électrons, nous a permis de réaliser des contacts ohmiques proches de l'état de l'art (0,5 Ohm.mm). L’origine des courants de fuite a été systématiquement étudiée sur cinq types d'épitaxies différentes. La distance grille – drain et les courants de fuites ont été identifiés comme étant les deux facteurs limitant la tension de claquage. Selon la structure, les courants de fuite ont lieu soit à travers la grille (~e-8 A/mm à 210V), soit en parallèle au canal (e-5 A/mm). Dans les deux cas, ces courants sont comparables aux courants de fuite au travers du tampon (i.e. courants mesurés entre deux mésas). Ces courants de fuite, ont été attribués aux couches de transition nécessaires à l'adaptation de l'épitaxie des couches de nitrure sur le substrat de silicium. La réalisation de HEMT AlGaN/GaN sur silicium pour les applications à haute tension passera donc par une amélioration de ces couches tampons.Nous avons démontré qu'il est possible d'améliorer l'isolation de la barrière en AlGaN grâce à une hydrogénation du matériau. En effet un traitement de surface des transistors par un plasma hydrogène permet, par diffusion, d'y incorporer de l'hydrogène qui passive les dislocations traversantes. Après traitement, les courants de fuite de grille sont réduits et la tension de claquage est repoussée à 400V avec des courants de fuite de l'ordre de e-6 A/mm. Dans ces conditions, le claquage a alors lieu en surface de l'échantillon, il n'est plus limité que par la distance grille-drain. Ce résultat ouvre la voie à la réalisation de HEMT à forte tension de claquage (V~600V).L’effet du plasma fluoré SF6 sur les caractéristiques électriques des HEMT (AlN/GaN)/GaN (la barrière est en super-réseaux AlN/GaN) a été étudié pour la première fois dans cette thèse. Les ions fluor incorporés dans cette barrière agissent comme des donneurs qui font augmenter la densité du gaz bi-dimensionnel d'électrons et décaler la tension de pincement vers les tensions négatives. Cet effet est à l'opposé de celui observé dans les HEMT à barrière en AlGaN. Ce résultat élimine la possibilité de réaliser les HEMT (AlN/GaN)/GaN “normally off” par un dopage au fluor, une technique simple et efficace qui donne de bons résultats sur les HEMT à barrière AlGaN. D’autre part, il apporte quelques réponses expérimentales aux prévisions théoriques d'utiliser le fluor pour les dopages de type n ou p dans les nitrures d'éléments III.
Domaines
Autre [cond-mat.other]
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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