Propriétés de transport électronique et performances de HEMT à canal AlGaN pour l'électronique de puissance

Electronic transport properties and performance of AlGaN channel HEMT for power electronics

• Auteur / Autrice : Julien Bassaler
• Direction : Philippe Ferrandis, Julien Pernot, Sylvie Contreras
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique appliquée
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 11/01/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Rouger
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Alquier, Benoit Jouault, Yamina Andre, Christophe Durand
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Daniel Alquier, Benoit Jouault

Mots clés

Mots clés libres

Electronique de puissance

Transistor à haute mobilité électronique

Transport électronique

Détection de défauts

Nitrure d'aluminium gallium

Power electronics

High electron mobility transistor

Electronic transport

Trap detection

Aluminum gallium nitride

Résumé

La demande croissante en énergie exige la création d'infrastructures nouvelles et adaptées, et le développement de l'électronique de puissance joue un rôle clé dans cette quête. L'utilisation de semi-conducteurs à large bande interdite, en raison de leurs propriétés physiques supérieures au silicium, s'avère être la voie la plus prometteuse pour concevoir des composants plus performants. Bien que les transistors à haute mobilité électronique (HEMT) à base de GaN sur silicium soient déjà commercialisés, leur tension de fonctionnement est limitée à 650 V et ils montrent une nette dégradation de leurs performances à des températures élevées. Les HEMT à canal AlGaN sur silicium offrent la possibilité de repousser ces limites tout en proposant des coûts de fabrication moindres par rapport aux composants SiC. Dans un premier temps, une hétérostructure AlGaN/GaN/AlN avec un canal très mince a été étudiée. L'objectif est d'accroître le champ de claquage de la structure en minimisant l'impact du canal GaN sur celle-ci. L’analyse des propriétés de transport dans cette hétérostructure par effet Hall a révélé une mobilité électronique relativement faible, associée à une anisotropie en fonction de l'orientation cristalline. Cette constatation a été appuyée par une analyse structurelle de l’empilement de couches, ainsi que par la détection de défauts électriquement actifs, renforçant ainsi les conclusions obtenues par effet Hall. De plus, les modèles de diffusion des porteurs de charge ont montré que la rugosité d’interface constituait le principal mécanisme limitant la mobilité électronique. Par la suite, une analyse détaillée des hétérostructures à canal AlGaN sur silicium a été effectuée. Une étude des défauts par spectroscopie de transitoire de niveaux profonds (DLTS) dans la couche d'AlN épitaxiée sur le substrat Si (111) a été réalisée pour évaluer la qualité de cette couche qui influence la qualité globale de l’hétérostructure. Sur la base de modèles physiques, une étude des propriétés de transport dans ces hétérostructures à canal AlGaN a ensuite permis de déterminer les compositions optimales en Al pour les couches d'AlGaN. L'impact de la fraction d'aluminium dans le canal AlGaN sur la mobilité électronique a été étudié expérimentalement par des mesures d’effet Hall. Ces résultats expérimentaux ont été comparés aux modèles de diffusion des porteurs de charge et à des simulations pour identifier les facteurs limitants de la mobilité. Bien que le désordre d'alliage soit le principal mécanisme limitant dans ces structures, son impact est moins prononcé que ce qui est attendu. Les observations indiquent également une dégradation des propriétés de transport moins sévère par rapport aux hétérostructures à canal GaN, démontrant ainsi une stabilité thermique supérieure. Enfin, la dégradation des performances des transistors en fonction de la température a été évaluée selon la fraction d'Al du canal AlGaN ainsi qu’en fonction du substrat (Si et AlN) et de la structure de grille. Si l'augmentation de la fraction d'Al dans le canal induit une réduction du courant à l'état passant, cela permet aussi de réduire le courant à l’état bloquant et d’obtenir une meilleure stabilité en température des performances. Les mécanismes responsables des courants de fuite de grille ont été identifiés en comparant les modèles aux résultats expérimentaux. Il apparait que l’augmentation de la fraction d’Al permet en effet de réduire l’intensité de ces mécanismes. En conclusion, les HEMT à canal AlGaN présentent une stabilité thermique des performances à l’état passant supérieure ainsi qu’une amélioration significative de l’état bloquant. Ces composants possèdent donc un excellent potentiel pour les applications à haute tension et haute température.

The increasing demand for energy requires the development of new and suitable infrastructure, and the advancement of power electronics plays a pivotal role in addressing this need. Utilizing wide-bandgap semiconductors, due to their superior physical properties compared to silicon, emerges as the most promising avenue for designing high-performance components. While high electron mobility transistors (HEMT) based on GaN on silicon are already commercialized, their operating voltage is limited to 650 V, and they exhibit substantial performance degradation at elevated temperatures. HEMTs with AlGaN channels on silicon offer the potential to overcome these limitations while also offering lower production costs compared to SiC devices. Initially, an AlGaN/GaN/AlN heterostructure with an ultrathin channel was investigated. The objective was to enhance the breakdown voltage of the structure by minimizing the impact of the GaN channel. An analysis of the transport properties in this heterostructure using Hall effect measurements revealed relatively low electron mobility, coupled with anisotropy depending on the crystal orientation. This finding was substantiated by a structural analysis of the layer stack and the detection of electrically active defects, further supporting the conclusions drawn from the Hall effect measurements. Furthermore, charge carrier diffusion models indicated that interface roughness constituted the primary limiting mechanism for electron mobility. Subsequently, a detailed analysis of AlGaN channel heterostructures on silicon was conducted. Deep-level transient spectroscopy (DLTS) was used to study defects in the AlN layer epitaxially grown on the Si (111) substrate, which influences the overall quality of the heterostructure. Based on physical models, a study of the transport properties in these AlGaN channel heterostructures was then performed to determine the optimal Al compositions in the AlGaN layers. The impact of the aluminum fraction in the AlGaN channel on electronic mobility has been studied experimentally by Hall effect measurements. These experimental results were compared to charge carrier diffusion models and simulations to identify mobility-limiting factors. While alloy disorder was identified as the primary limiting mechanism in these structures, its impact was less pronounced than expected. Observations also indicated a less severe degradation of transport properties compared to GaN channel heterostructures, demonstrating superior thermal stability. Finally, the degradation of transistor performance with temperature was assessed based on the aluminum fraction in the AlGaN channel, substrate choice (Si and AlN), and gate structure. Increasing the aluminum fraction in the channel not only led to a reduction in on-state current but also reduced off-state leakage current, resulting in improved thermal stability of performance. The mechanisms responsible for gate leakage currents were identified by comparing models with experimental results, revealing that increasing the aluminum fraction effectively reduces the intensity of these mechanisms. In conclusion, AlGaN channel HEMTs exhibit superior thermal stability of on-state performance and a significant enhancement of off-state blocking characteristics. These devices thus hold excellent potential for high-voltage and high-temperature applications.