Caractérisation électrique d’hétérostructures AlGaN/GaN pour des applications de puissance

Electrical characterization of AlGaN/GaN heterostructures for power applications

• Auteur / Autrice : Jonathan Lehmann
• Direction : Edwige Bano, Gérard Ghibaudo, Charles Leroux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 20/10/2015
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Dominique Planson
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Edwige Bano, Gérard Ghibaudo, Charles Leroux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nathalie Labat, Jean Guy Tartarin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électronique de puissance

Nitrure de gallium

Transistors à effet de champ à dopage modulé

Mots clés libres

HEMT

AlGaN GaN

Caractérisation électrique

HEMT

AlGaN GaN

Electrical characterization

Résumé

Cette thèse s'inscrit dans le cadre du développement de transistors de puissance HEMT à base de nitrure de gallium au CEA. Les HEMT AlGaN/GaN sont des composants très prometteurs pour les applications d'électronique de puissance. Le but de cette thèse est d'étudier en détail le matériau AlGaN/GaN en amont de la fabrication de transistors. Cette thèse est organisée en quatre chapitres. Le premier chapitre introduit les concepts théoriques nécessaires à la compréhension du fonctionnement des HEMT AlGaN/GaN. Les trois chapitres restant sont consacrés à l'étude des propriétés électriques de l'empilement AlGaN/GaN: résistance de couche, résistance des contacts, mobilité et densité de porteurs. Dans le chapitre deux, à travers des mesures de la résistance de couche, il est démontré que des phénomènes de piégeage interviennent dans le matériau et que l'utilisation d'une source lumineuse permet une stabilisation de la mesure. Ensuite, à travers des structures avec des longueurs de contacts différentes, une étude détaillée des résistances de contact a été effectuée. Pour cela, le modèle TLM a été utilisé. Les résultats obtenus montre que dû à la variation non linéaire des caractéristiques de nos contacts en fonction de leur longueur, un tel modèle n'est pas adapté à l'étude des contacts fabriqués au CEA. Dans le chapitre trois, une méthode de mesure de la résistance de couche d'un empilement AlGaN/GaN sans fabrication de contacts a été mise au point. Cette méthode repose sur les travaux de Van Der Pauw concernant la mesure colinéaire et permet la caractérisation précise et rapide de plaques entières en sortie d'épitaxie. Enfin dans le dernier chapitre, une étude comparative des propriétés électriques de l'empilement AlGaN/GaN sous la grille et en dehors de la grille a été effectuée. Premièrement, on a procédé à une étude statistique de la résistance de couche, de la mobilité et de la densité de porteurs. Il est démontré que la gravure du Si3N4 préalable au dépôt de la grille injecte des ions fluor dans l'empilement, causant des dégradations des propriétés électriques. Ensuite, les phénomènes de diffusion de la mobilité ont été caractérisés à travers une étude détaillée de la mobilité en fonction de la densité de porteurs. Enfin, pour compléter cette étude, une analyse en température des mesures de capacité et de la mobilité a été effectuée.

This PhD is part of the development of HEMT power transistor based on galliumnitride at the CEA. Due to their high electron mobility, high breakdown _eld and goodthermal conductivity, AlGaN/GaN HEMT are very promising devices for power electronic applications.The goal of this PhD is, using electrical characterization, to increase the knowledge ofthe AlGaN/GaN material prior to the fabrication of transistors. First, through measurements ofthe resistance of the electron gas located at the AlGaN/GaN interface, a trapping phenomenonwas evidenced in the material. Then, in order to set a production follow-through of AlGaN/GaNon Si wafers , a method of measuring the sheet resistance of a AlGaN/GaN stack without thefabrication of contacts was developed and patented. Finally, on HEMT transistors fabricatedusing di_erent epitaxies, a detailed study of the sheet resistance, the mobility and the sheetcarrier density in and out of the gated area was carried out.