Méthodes et analyses physico-expérimentales des mécanismes liés à la résistance dynamique dans les composants HEMT GaN de puissance

Pour contrôler le flux d’énergie électrique de la source à la charge, l’électronique de puissance constitue un des éléments phares dans l’acheminement de cette énergie. La gestion et la conversion de cette énergie électrique nécessitent des convertisseurs de puissance efficaces, basés sur des interrupteurs présentant des performances élevées en commutation et en conduction, à haute puissance et haute fréquence. Bien que les dispositifs à base de silicium dominent depuis longtemps l’électronique de puissance, les propriétés physiques de ce matériau limitent les performances des dispositifs en termes de température maximale d’opération, de tension de claquage, de résistance à l’état passant et de vitesse de commutation. La recherche des matériaux prometteurs présentant des performances supérieures à celles du silicium est donc nécessaire. Le nitrure de gallium (GaN) est l’un des matériaux qui permet, grâce à ses propriétés ! physiques, de répondre aux exigences de fabrication des convertisseurs de puissance. En outre, le transistor à haute mobilité électronique (HEMT) à hétérostructure AlGaN/GaN est un composant qui contribue à l’innovation des technologies de conversion de puissance. Cependant, de nombreux problèmes de fiabilité affectent les performances électriques de ces dispositifs et nécessitent un effort d’analyse et de compréhension. Les contributions du présent travail s’inscrivent précisément dans ce domaine. La caractérisation de la résistance à l'état passant de ce transistor, qui est un problème critique, est nécessaire pour comprendre la dynamique de certains phénomènes tels que le piégeage. Dans ce travail, on s’intéresse tout particulièrement à la caractérisation des effets du piégeage induit par des défauts qui peuvent exister dans les différentes couches de la structure. Nous proposons une nouvelle méthodologie générale de mesure perm! ettant d’obtenir des résultats fiables et reproductibles et! montrant l’importance de maîtriser les conditions initiales avant chaque mesure. Les phénomènes dynamiques sont caractérisés à l’aide des mesures du courant en fonction du temps, réalisées sur des structures TLM issues de différents lots technologiques, sous stimulations électrique et/ou optique. Deux méthodes de caractérisation de ces défauts sont ainsi proposées. Le but de la première est de stresser le dispositif par une tension négative appliquée sur le substrat pour stimuler les défauts présents entre ce dernier et le canal 2DEG, alors que la deuxième consiste à illuminer le dispositif sous test par une source lumineuse dont l’énergie de photon correspondante est choisie de façon à ce qu’elle n’affecte que les pièges présents dans les matériaux. L’effet de l’illumination sur les résistances de contact est ensuite étudié, montrant une contribution non négligeable de ces résistances dans la résistance totale et ! mettant ainsi en évidence, pour la première fois, que la dynamique de la résistance à l’état passant peut-être due non seulement à des phénomènes dans le canal 2DEG mais également à des phénomènes au niveau des contacts ohmiques. Ensuite, afin d’étudier certains mécanismes de piégeage/dépiégeage, des traitements numériques, en une décomposition en somme d’exponentielles, des mesures de relaxation du courant en fonction du temps ainsi que de la variation de la résistance relative avec un modèle de deux résistances en série sont proposés. Les résultats obtenus confirment que l’analyse des transitoires est un problème difficile et que les solutions à ces problèmes ne sont pas uniques. Pour affiner ces résultats, il sera donc sans doute nécessaire d’obtenir les énergies d’activation des pièges présents par d’autres méthodes, comme la DLOS.