CARactérisation électrique et Modélisation physique des DYsfonctionnements des HEMTs à base de Nitrure de gALlium – CARDYNAL

1- contexte scientifique et objectifs du projet La motivation essentielle de ce projet est la compréhension des mécanismes physiques qui dégradent les propriétés de transport des porteurs dans les HEMTs AlGaN/GaN et InAlN/GaN, et par voie de conséquence en pénalisent les performances statiques et dynamiques. Les HEMTs AlGaN/GaN présentent actuellement des performances en puissance remarquables qui peuvent être améliorées en augmentant la maturité de la technologie. En ce qui concerne les HEMT basés sur l'hétérojonction AlInN/GaN, la mise au point des procédés de fabrication est récente et les premiers résultats sont prometteurs. En raison des potentialités de cette hétérojonction, des densités de puissance d'environ 30W/mm sont envisagées. Parmi les dysfonctionnements des transistors de la filière GaN, il faut distinguer les effets parasites de fonctionnement et les dégradations de paramètres électriques : - Les effets parasites sont des anomalies électriques qui pénalisent les performances potentielles initiales des dispositifs. L'origine physique de ces effets est, soit directement associée à la structure intrinsèque du dispositif, soit induite par leur technologie d'élaboration. - Contrairement aux effets parasites, les dégradations apparaissent en cours de fonctionnement. Pour identifier ces dégradations dans des délais raisonnables, des tests de vieillissement accéléré sont effectués sous différentes contraintes : polarisation et/ou température. Alors que l'évaluation de la qualité technologique a pour objet de comparer la maturité des filières de fabrication et/ou d'identifier l'origine physique des effets parasites, l'étude des mécanismes de dégradation est destinée pour les HEMTs GaN en développement, à la compréhension de leur origine physique pour définir les solutions technologiques appropriées. 2- description du projet, méthodologie Les partenaires du projet sont trois laboratoires universitaires UMR CNRS (IXL, IEMN, LPM) et un industriel (Alcatel-Thales III-V Lab) apportant chacun une contribution spécifique fondée sur une expertise reconnue au niveau national et international dans les domaines de la technologie des HEMTs GaN et des circuits associés et de la caractérisation des matériaux et dispositifs. Cette étude portera sur des structures réalisées sur SiC monocristallin car ce substrat présente d'excellentes propriétés thermiques. L'objectif défini dans ce projet pour ces deux filières est différent : - Pour la filière HEMT AlGaN/GaN, il s'agit d'évaluer des choix technologiques dont la validité sera évaluée par la première campagne de vieillissement. Une rétroaction sur le procédé de fabrication sera donc possible et son amélioration évaluée par une seconde campagne de tests. - Pour la filière HEMT AlInN/InGaN, il s'agit d'évaluer la fiabilité intrinsèque d'une structure épitaxiale innovante. Les résultats seront comparés avec ceux de la filière AlGaN/GaN. Ce projet comporte les étapes suivantes : A/ Fourniture, fabrication et encapsulation des transistors de type HEMTs AlGaN/GaN, HEMTs InAlN/GaN et des structures TLM associées. On notera que ce type d'hétérojonction InAlN/GaN en cours d'étude ouvre un champ de recherche nouveau. B/ Caractérisation approfondie initiale (avant vieillissement) : - Des pièges par des techniques d'analyse complémentaires de la dispersion fréquentielle de paramètres tels que la conductance et la transconductance. - Du bruit en basses fréquences qui constituera un indicateur précoce des dégradations - Des propriétés de surface par les techniques de photo réflectivité qui permettent de mesurer le champ électrique interne et sous certaines conditions, remonter à la position du niveau de Fermi de surface. C/ Tests de vieillissement accéléré et identification des mécanismes de dégradation à partir de mesures électriques ciblées en fonction de la température et/ou de la fréquence. Une analyse physique pourra être entreprise si cela s'avère pertinent pour la localisation des dégra