Résumé de thèse (version française)

Résumé de thèse (version française)
LE MANUSCRIT ORIGINAL DE LA THESE FAIT PARTIE DU CENTRE DE DOCUMENTATION DIGITAL DE L’UNIVERSITE
POLYTECHNIQUE DE MADRID. TEXTE EN LIGNE : http://oa.upm.es/3004/
La technologie des nitrures est actuellement la plus prometteuse pour la fabrication des dispositifs électriques
à haut rendement, de forte puissance, à des fréquences et des températures élevées, avec une haute valeur de
tension de claquage. Même s’il existe déjà quelques succès, ils sont encore faibles comparés aux perspectives
théoriques. Initialement, l'intérêt de cette technologie était tournée vers les applications militaires des micro-ondes,
mais maintenant les transistors à haute mobilité électronique (HEMT) se sont recentrés sur les communications
radiofréquence pour les applications civiles, ainsi que vers d'autres domaines de l'électronique de puissance. La
commercialisation a augmenté le nombre d'études liées à la fiabilité et, par conséquent, celles des mécanismes de
dégradation et de défaillance, pour une meilleure compréhension de la physique sous-jacente. Récemment, dans
le cas des nitrures du groupe III, l'influence de la distribution du champ électrique, la densité de charge sur la
surface et les effets piézoélectriques ont pris beaucoup d´importance dans les études de fiabilité.
En ce sens, cette thèse de doctorat présente une caractérisation structurale, électrique et de la surface, large
et détaillée, sur plusieurs hétérostructures d´AlGaN/GaN épitaxiées sur différents substrats (SiC, saphir et silicium),
par des techniques de croissance épitaxiale (MBE et MOVPE) qui fournissent des résultats similaires. La
connaissance de l'hétérostructure est essentielle afin d'effectuer des simulations sur les principaux paramètres et
les propriétés attendues, comme les domaines de la polarisation, la densité de charge dans le canal et les
mécanismes de dispersion, qui affectent le transport électrique dans les hétérostructures, et en tout cas le potentiel
théorique ultime des dispositifs HEMT fabriqués. La qualité cristalline des hétérostructures a été évaluée en
utilisant différentes techniques structurales, à savoir la diffraction de rayons X et l´analyse par faisceau d’ions.
D'autre part, la surface d´AlGaN a été analysée qualitativement et quantitativement par spectroscopie de
photoélectrons à rayons X (XPS) et microscopie à force atomique. Nous présentons des études sur l'incorporation
de l'aluminium dans la barrière AlGaN, l'influence des couches d'adaptation et d’intercalation basées sur AlN dans
la croissance des hétérostructures, et la présence d'hydrogène dans les hétérostructures AlGaN/GaN.
Dans ce contexte, nous avons mené une étude détaillée de la surface d´AlGaN par XPS : (a) après des
traitements spécifiques utilisés dans la fabrication des dispositifs HEMT, des mesures comparatives ont été
réalisées, par rapport à une surface de référence homogène sans aucun prétraitement, (b) sur quatre
hétérostructures différentes, épitaxiées sur SiC, saphir et Si, avec des techniques de croissance similaires (MBE et
MOVPE), au cours de la fabrication des HEMT sur la surface, et (c) sur trois échantillons similaires sur saphir par
MOVPE avec trois traitements initiaux de la surface, basés sur le nettoyage avec des solvants organiques, plasma
de N2 et un alliage thermique, en relation avec des mesures électriques avec une sonde de Hg, avant et après
dans des diodes fabriqués sur les hétérostructures. La principale conclusion est la présence de contaminants
(carbone et oxygène) sur la surface des hétérostructures HEMT au cours du traitement, qui sont piégés à
l'interface avec les métallisations et la passivation. Des méthodes différentes et des combinaisons de traitements
de la surface sont proposées pour réduire la pollution à la surface des hétérostructures, et ainsi la transformation
des interfaces. La modification de la surface par le nettoyage de ces contaminants ne semble pas influencer les
caractéristiques du canal d'électrons, l'ultime responsable de la performance des transistors fabriquées.
En ce qui concerne les effets piézoélectriques, nous avons développé des études de vieillissement sous
champ électrique élevé sur des transistors HEMT fonctionnant dans la région de déplétion. La dégradation
observée est de nature quasi-permanente ; elle ne semble pas être liée à des effets piézoélectriques mais plutôt
aux mécanismes de piégeage/dépiégeage des porteurs dans les défauts des hétérostructures et à la technologie
de fabrication. Enfin, nous avons analysé les effets du traitement sur les propriétés électriques et mécaniques des
hétérostructures HEMT. Plus précisément, l'état de déformation des couches de l'hétérostructure d'AlGaN/GaN a
été étudié pendant différentes étapes de la fabrication, ainsi que la concentration du canal de porteurs à l'interface
dans des transistors et des dispositifs d'essai. Structurellement, il y a de légers changements dans l'état de
déformation des couches de l'hétérostructure ; au plan électrique, des réductions de charge considérables sont
observées dans les transistors HEMT fabriquées. En conclusion, il est mis en évidence que le mécanisme de
défaillance, responsable de ces dégradations dans les transistors HEMT est principalement la modification de la
surface d’AlGaN, car les dégradations impliquant des effets piézoélectriques sont comparativement mineures.