Etude des défauts électriquement actifs dans les composants hyperfréquences de puissance dans les
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Chapitre III Etude des états de surface dans les MESFETs 4H-SiC Chapitre III : PARTIE B : Caractéristiques statiques et états de surface dans les MESFET 4H-SiC III.1 Introduction Le comportement transitoire du courant de drain peut également être causé par des états de surface. Pour cela, dans ce chapitre, nous présentons l’ensemble des mesures I-V réalisées sur les transistors MESFETs 4H-SiC ayant une couche tampon optimisée afin d’éliminer l'injection de porteurs au niveau du substrat (série 292). III.2 Caractéristiques statiques. III.2.1 Caractéristiques de transfert Ids-Vgs-T, pour un MESFET SiC de longueur de grille 1µm. T=85K0,25V =-12.42VTS292, Lg=1µm0,200,150,100,050,00-20 -15 -10 -5 0Vgs(V)Figure III.35 : Caractéristique statique à T= 85K du MESFET 4H-SiC Les réseaux des caractéristiques Ids-Vgs en fonction de la température qui sont représentés sur les figures III.35, III.36 et III.37, montrent un décalage de la tension de seuil avec la température. Ce décalage de tension de seuil entre 85K et 470K est de ∆V=4V. 115Ids(A) Chapitre III Etude des états de surface dans les MESFETs 4H-SiC 0,40 T=300K0,35 V = -15.29VTS292, Lg=1µm0,300,250,200,150,100,050,00-0,05-20 -15 -10 -5 0Vgs(V)Figure III.36 : Caractéristique statique à T=300K. -1 T=470K3,0x10V =-16.10VTS292,Lg=1µm-12,5x10-12,0x10-11,5x10-11,0x10-25,0x100,0-20 -15 -10 ...
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Chapitre III Etude des états de surface dans les MESFETs 4H-SiC
Chapitre III : PARTIE B : Caractéristiques statiques et états de surface dans les MESFET 4H-SiC III.1 Introduction Le comportement transitoire du courant de drain peut également être causé par des états de surface. Pour cela, dans ce chapitre, nous présentons l’ensemble des mesures I-V réalisées sur les transistors MESFETs 4H-SiC ayant une couche tampon optimisée afin d’éliminer l'injection de porteurs au niveau du substrat (série 292). III.2 Caractéristiques statiques.
III.2.1 Caractéristiques de transfert Ids-Vgs-T, pour un MESFET SiC de longueur de grille 1µm.
0 ,2 5 T = 8 5 K VT=-1 2 .4 2 V S 2 9 2 , L g = 1 µ m 0 ,2 0
0 ,1 5
0 ,1 0
0 ,0 5
0 ,0 0 -2 0 -1 5 -1 0 -5 0 V g s (V ) F r II tati t ri ti ara K ME à T= i FET 4H- Les réseaux des caractéristiques Ids-Vgs en fonction de la température qui sont représentés sur les figures III.35, III.36 et III.37, montrent un décalage de la tension de seuil avec la température. Ce décalage de tension de seuil entre 85K et 470K est de∆V=4V.
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0,40 T=300K 0,35 VT= -15.29V 0,30 S292, Lg=1µm 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 -0,05 -20 -15 -10 -5 0 Vgs(V) Figure III.36 :Caractéristique statique à T=300K.
3,0x10-1TVT=4V.601=1-07K 2,5x10-1S92µm=1Lg2, 2,0x10-1 1,5x10-1 1,0x10-1 5,0x10-2 0,0
-20 -15 -10 -5 Vgs(V) Fi ure III.37 : à T=470 K. stati ueCaractéristi ue
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Chapitre III Etude des états de surface dans les MESFETs 4H-SiC Ce décalage est souvent détecté pour les transistors de puissance pour lesquels il y a une surface importante entre la grille et le drain, ce qui est le cas ici. Comme nous l'avons vu dans la partie précédente, ce décalage de la tension de seuil peut être expliqué par l’activation thermique des défauts profonds à haute température. III.2.2 Caractéristiques Ids-Vds-T, d’un MESFET SiC de longueur de grille 1µm. Les figures III.38, III.39 et III.40 montrent les réseaux de caractéristiques de sortie Ids-Vds à différentes températures pour un transistor MESFET 4H-SiC (Lg=1µm, le buffer est optimisé). Un premier réseau de caractéristiques est obtenu en fermant progressivement le canal (Vgs de 0V à -10 V) puis consécutivement un deuxième réseau est enregistré en ouvrant le canal (Vgs de -10V à 0V).
T=85K 4,0x10-192,2SµmLg=1 Vgs Vgs 0V 0V - 2V -2V 4V 3,0x10-1V6- V6- 4- V - -8V -8V -10V -10V 2,0x10-1
1,0x10-1
0,0 0 5 10 15 20 25 30 35 Vds(V) Figure III.38 :Caractéristiques statiques à T=85K d'un transistor de la série S292 avec une lon ueur de rille=1 m.
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Chapitre III Etude des états de surface dans les MESFETs 4H-SiC
4,0x10-1T=300K 1S292,Lg=1µm 3,5x10-Vgs Vgs 0V 0V -2V -2V -4V -4V 3,0 10-1 x -6V -6V -8V -8V -10V -10V 2,5x10-1 2,0x10-1 1,5x10-1 1,0x10-1 5,0x10-2 0,0 0 5 10 15 20 25 30 35 Vds(V) Figure III.39 :Caractéristiques statiques à T=300K d'un transistor de la série S292 avec une longueur de grille=1µm.
T=470K 3,0x10-1S292,Lg=1µm Vgs Vgs 0V 0V -1-2V -2V 2,5x10 -4V -4V -6V -6V -8V -8V 2 0x10-1 -10V -10V , -1 1,5x10 1,0x10-1 5,0x10-2 0,0
0 5 10 15 20 25 30 35 Vds(V) Figure III.40 :Caractéristiques statiques à T=470K d'un transistor de la série S292 avec une lon ueur de rille=1 m.
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Chapitre III Etude des états de surface dans les MESFETs 4H-SiC Les principales constatations que nous pouvons relever à partir de ces mesures sont les suivantes : - A 300K et de façon moins prononcée à 470K, nous observons une diminution de la conductance de sortie pour les faibles valeurs de Vgs (à 0V et -2V) et à fortes valeurs de Vds (au-dessus de 20 V). Cette diminution de conductivité pour un régime de fonctionnement à "forte puissance" (Ids et Vds élevés) est très probablement due à un effet d'auto-échauffement [Royet’00] auquel nous ne nous intéresserons pas ici. - A 85 K et à 300 K nous remarquons une diminution du courant Ids lorsque les caractéristiques sont mesurées pour la deuxième fois en ouvrant le canal. Cet effet, particulièrement visible à 85 K s'estompe avec l'augmentation de la température pour n'être que très légèrement visible à 475K uniquement sur la caractéristique à Vgs=0V. Notons que la diminution du courant est d'autant plus faible que la tension Vgs est importante. Elle n'est même pas observée du tout lorsque le canal est pincé (Vgs= -10 V). Ceci exclu un effet de piégeage dû au substrat ce qui est attendu pour ces échantillons où l'injection des porteurs vers le substrat est minimisée. A l'opposé, nous pouvons émettre l'hypothèse d'un effet de piégeage des porteurs en surface du canal. - Enfin, nous remarquons un courant de fuite empêchant le pincement du transistor qui augmente avec la température.
III.2.3 Caractéristiques Ids-Vds-T, pour des transistors de longueur de grille 4 µm et 16 µm. Après avoir étudié les caractéristiques électriques statiques et de transfert du transistor de longueur de grille égale à Lg=1µm, nous présentons les caractéristiques électriques statiques de deux transistors dont les longueurs de grilles sont Lg=4µm et 16µm. Les figures III.41 et III .42 montrent les résultats à T=85K et à T=300K pour un transistor de longueur de grille égale à 4µm.
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Chapitre III Etude des états de surface dans les MESFETs 4H-SiC
-1 1,6x10S292=85T ,K=4µmLg -1Vgs Vgs 1,4x10 0V V2- V2- V0 -4V -4V 1,2x10-1 -6V 8-- VV86- V -10V -10V 1,0x10-1 8,0x10-2 6,0x10-2 4,0x10-2 2,0x10-2 0,0 0 10 20 30 40 Vds(V) Figure III.41 :statique à T=85 K d’un transistor MESFETs 4Caractéristique H-SiC avec une longueur de grille de 4µm.
2,5x10-1 T=300K S292,Lg=4µm V gs Vgs 2,0x10-1V2- V4- V-4 V0 V2- V0 -6V -6V 8V -8V - -10V -10V 1,5x10-1
1,0x10-1
5,0x10-2
0,0 0 10 20 30 40 Vds(V) Figure III.42 :Caractéristique statique à T=300K d’un transistor MESFETs 4 H-SiC avec
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Chapitre III Etude des états de surface dans les MESFETs 4H-SiC Nous retrouvons certains dysfonctionnements observés précédemment pour le transistor de longueur de grille égale à 1 µm. L'effet d'auto-échauffement n'est perceptible que au-delà de Vds = 30 V pour un Vgs de 0V. Ceci est logique étant donné que le courant Ids est moins fort pour une grille plus longue. Concernant la diminution de Ids entre les deux séries de mesures, nous retrouvons un comportement sensiblement identique à celui observé pour une grille de 1µm de longueur. Nous observons également un léger courant de fuite pour cet échantillon. Les réseaux de caractéristiques pour une longueur Lg de 16 µm à différentes températures sont donnés sur les figures III.43, III.44 et III.45. Pour cette longueur de grille l'effet d'auto-échauffement a totalement disparu. Notons également que nous n'avons pas ou très peu de courant de fuite pour cet échantillon. Enfin, l'effet de diminution du courant n'est visible qu'à basse température et toujours lorsque le canal est ouvert.
2,2x10-2T=85K 2 0x10-2 ,VgSs2 9 2 , L g = 1Vg6sµm 1 8x10-2 V0 2-V0 V- V2 , -4V -4V 1,6x10-2 -6VV-8V8- V6-1,4x10-2 -10V -10V 1,2x10-2 1,0x10-2 8,0x10-3 6,0x10-3 4,0x10-3 2,0x10-3 0,0 0 10 20 30 40 Vds(V) Figure III.43 :Caractéristique statique à T=85 K pour un transistor MESFET 4H-SiC avec une lon ueur de rille de 16 m.
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Chapitre III Etude des états de surface dans les MESFETs 4H-SiC
8,0x10-2Vgs VgsT=300K 0V 0V 7,0x10-2 - V -2 V4- V4- V2S292,Lg=16µm -6V -6V -8V -8V 6,0x10-2 -10V -10V 5,0x10-2 4,0x10-2 3,0x10-2 2,0x10-2 1,0x10-2 0,0 0 10 20 30 40 Vds(V) Figure III.44 :Caractéristique statique à T=300K pour un transistor MESFETs 4H-SiC avec une longueur de rille de 16 m.
6,0x10-2 T=470K S292,Lg=16µm 5,0x10-2 s -VgV2- V0 V 0s Vg 2V -4V -4V -6V -6V -8V -8V 4,0x10-2 -10V -10V 3,0x10-2 2,0x10-2 1,0x10-2 0,0 0 10 20 30 40 Vds(V) Figure III.45 :Caractéristique statique à T=475K pour un transistor MESFETs 4H-SiC avec une longueur de grille de 16µm et un buffer optimisé.
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Chapitre III Etude des états de surface dans les MESFETs 4H-SiC
III.2.4Conclusion sur les caractéristiques statiques. Parmi les différents effets parasites observés sur les caractéristiques de sortie, deux semblent avoir une même origine : le décalage de la tension de seuil et la diminution du courant pour de mesures successives peuvent être attribués à des effets de chargement et déchargement de centres profonds [Battacharya’88]. Ces anomalies varient en fonction des tensions de grille appliquées et en fonction de la température. Des travaux récents montrent que ces effets parasites peuvent être liés aux états de surfaces. Cha et al [Cha’03] ont montré que ces phénomènes sont fortement diminués en utilisant une couche de passivation Si3N4. Ces états apparaissent lorsque la commande de grille passe d'un état de pincement à un état de conduction, ce qui se traduit par des états transitoires sur le courant de drain. Nous présentons donc dans la suite une étude par DLTS courant des transistors analysés précédemment pour discuter de la présence d'éventuels états de surface. Nous limiterons les résultats exposés au cas des transistors de Lg = 16 µm et Lg = 1 µm.
III.3Spectroscopie de défauts profonds par analyse de transitoires de courant (CDLTS).
III.3.1 Transitoires de courant Nous présentons, en premier lieu, les transitoires de courant de drain en fonction de la température pour les deux séries d’échantillons dont les longueurs de grille sont respectivement 1µm et 16µm.
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Chapitre III Etude des états de surface dans les MESFETs 4H-SiC
S292, Lg=16µm T=230K T=280K T=380K 1,000T=180K T=130K 0,995 0,990T=330K 0,985
0,980
T=430K T=480K
0 10 20 30 40 50 60 70 80 Temps(ms) Figure III.46 :Evolution des transitoires de courant drain-source en fonction de la température pour un transistor de longueur de grille =16µm.
T=255K
T=400K
T=85K T=365K
1,001 S292, Lg=1µm 1,000 0,999 0,998 0,997 0,996 0,995 0,994 0,993 0,992 0,991 0,990 0,989 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Temps(ms) Figure III.47 :Evolution des transitoires de courant drain-source en fonction de la température pour un transistor de longueur de grille 1µm.
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T=470K
Chapitre III Etude des états de surface dans les MESFETs 4H-SiC L'évolution des transitoires de courant présentés dans la figure III.46, est caractéristique de processus d'émissions qui évoluent avec la température. En effet le transitoire positif du courant traduit le vidage des pièges à majoritaires (ici électrons) et donc la disparition d'une déplétion parasite qui limite le courant de drain. Nous notons une évolution non monotone avec la température ; en particulier à partir de 400 K une forte augmentation de la variation de courant. Nous verrons dans la suite que ceci est attribué à un défaut profond en énergie, qui gouverne la conduction dans le canal. Dans le cas du transistor de longueur de grille 1 µm (figure III.47), l'évolution des transitoires en température est plus complexe. En effet, nous remarquons dans ce cas que la variation des transitoires de courant présente trois comportements distincts : - Dans la gamme de température au 85K-375K, nous retrouvons logiquement un transitoire positif caractéristique d'un processus d'émission des majoritaires ; - Dans la gamme de température au-dessus de 400 K, le transitoire est décroissant. Cette diminution du courant peut-être due soit à l'émission de porteurs minoritaires, soit à la capture des majoritaires ; - Dans la gamme intermédiaire, à 400 K notamment, les deux mécanismes sont en compétition et en conséquence transitoire est quasiment plat. La figure III.48 montre les transitoires de courant drain-source pour deux valeurs de la tension inverse (Vr = -4V et Vr = -10V). Dans les deux cas une impulsion a été appliquée sur la grille du transistor MESFETs 4H-SiC avec une valeur maximale de remplissage Vp fixée à 0V.
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