11 Evolution des performances électriques des transistors de la filière III-V sous l’effet d’irradiations. Directeur de thèse: Professeur Bertrand Boudart.

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1 11 Evolution des performances électriques des transistors de la filière III-V sous l’effet d’irradiations. Directeur de thèse: Professeur Bertrand Boudart Directeur scientifique de l’EAMEA: IPETA Piccione Présenté par: Fanny Berthet

2 2 Présentation des laboratoires LUSAC Laboratoire Universitaire des Sciences Appliquées de Cherbourg  Rattaché à l’Esix de l’Université de Caen Basse Normandie 3 équipes: - CCCP: Céramique, Capteurs, Composants et Procédés - MFR: Mécanique des Fluides et Rhéologie - CSE: Composants et Systèmes Electroniques EAMEA Ecole des Applications Militaires de l’Energie Atomique  Pôle unique de formation du nucleaire de défense 3 départements: - Propulsion navale (chef de centrale, opérateur…) - Maîtrise des risques (PCR, CAMARI, sécurité nucléaire des réacteurs) - Armements nucléaires (sécurité nucléaire des armes)  GEA: Groupe d’études atomiques Expert pour la radioprotection et la surveillance radiologique

3 33 Plan de la présentation 1.Introduction 2.Présentation de la source d’Am-Be 3. Influence d’irradiations de neutrons thermalisés sur les performances électriques de transistors AlGaAs/InGaAs et AlGaN/GaN 4. Evolution des performances électriques des transistors AlGaN/GaN lors d’un stress électrique 5. Perspectives

4 44 Plan de la présentation 1.Introduction 2.Présentation de la source d’Am-Be 3. Influence d’irradiations de neutrons thermalisés sur les performances électriques de transistors AlGaAs/InGaAs et AlGaN/GaN 4. Evolution des performances électriques des transistors AlGaN/GaN lors d’un stress électrique 5. Perspectives

5 5 1. Introduction  Intérêt de cette étude  Rappels sur les transistors  Présentation des paramètres électriques caractérisant les transistors  Présentation des sources disponibles

6 66 1. Introduction Les transistors AlGaAs/InGaAs ont d’excellentes performances pour les applications en haute fréquence et en faible bruit → Utilisation dans les systèmes fonctionnant en gamme d’ondes millimétriques → Système de communications sans fil Les transistors AlGaN/GaN ont des caractéristiques électriques permettant des applications : →de haute puissance → à haute température → à fréquence élevée  Bons candidats pour des applications dans le domaine spatial et militaire  Une étude de leurs comportements vis-à-vis des irradiations est donc nécessaire Intérêt de cette étude:

7 7 AlGaN/GaN non dopé Substrat semi isolant Couche de nucléation SD G GaN nid Canal d’électrons Contacts ohmiques: Contact Schottky (ou grille): S DG HEMT: High Electron Mobility Transistors 1. Introduction Substrat semi isolant AlGaAs nid InGaAs nid AlGaAs AlGaAs nid SD G GaAsn+n+ Rappel sur les transistors: 1. Introduction

8 8 Transistor à effet de champ → dispositif SC de la famille des transistors. Un champ électrique est utilisé pour contrôler la conductivité d’un canal dans un matériau SC Modulation du courant de sortie en fonction du champ électrique appliqué sur l’électrode d’entrée (grille) S G D Couche active Substrat semi-isolant V gs =0V I ds (A) V ds (V) 1. Introduction

9 9 Zone désertée V p <V gs <0V Transistor à effet de champ→dispositif SC de la famille des transistors. Il utilise un champ électrique pour contrôler la conductivité d’un canal dans un matériau SC Modulation du courant de sortie en fonction du champ électrique appliqué sur l’électrode d’entrée (grille) S G D Couche active Substrat semi-isolant I ds (A) V ds (V) 1. Introduction

10 10 1. Introduction G Zone désertée V gs =V p Transistor à effet de champ→dispositif SC de la famille des transistors. Il utilise un champ électrique pour contrôler la conductivité d’un canal dans un matériau SC Modulation du courant de sortie en fonction du champ électrique appliqué sur l’électrode d’entrée (grille) SD Couche active Substrat semi-isolant I ds (A) V ds (V) 1. Introduction

11 11 I dsmax 1/R k NB: Tension de pincement V p : tension V gs pour laquelle le courant I ds est quasi nul 1. Introduction Présentation des paramètres étudiés représentatifs du comportement électrique des transistors avant et après irradiation: → Courant drain-source (I ds ) → Tension de pincement (V p ) → Résistance d’accès (R k ) 1. Introduction

12 12 Courant de grille en inverse Courant de grille en direct Courant de grille: I gs (A) V gs (V) Une bonne grille de bonne qualité est caractérisé par: - un faible courant de grille en inverse - un faible courant de grille en direct - un coefficient d’idéalité η proche de 1 - la tension de built-in la plus élevée possible 1. Introduction V gs (V) Log I gs IsIs 1. Introduction

13 13 1. Introduction Les sources d’irradiations disponibles à l’EAMEA sont: 1. Introduction 60 Co Source gammas: Activité de 0,3 Bq Sources neutrons: Am-Be Activité de 3,2 Bq Am-Be Activité de 3,62 E10 Bq  Source dans une enceinte de polyéthylène Sources d’ activités relativement faibles

14 14 Plan de la présentation 1.Introduction 2.Présentation de la source d’Am-Be 3. Influence d’irradiations de neutrons thermalisés sur les performances électriques de transistors AlGaAs/InGaAs et AlGaN/GaN 4. Evolution des performances électriques des transistors AlGaN/GaN lors d’un stress électrique 5. Perspectives

15 15 L’Am est un émetteur α: Puis le Be va capturer cette particule α par capture radiative: → création d’un neutron et de photons γ Afin de thermaliser les neutrons, la source d’Am-Be est placée dans une enceinte en polyéthylène: → interaction entre les neutrons et l’hydrogène contenu dans le polyéthylène 2. Présentation de la source d’Am-Be Principe de production de neutrons: Perte d’énergie des neutrons

16 16 composant source composant proportion Energie des neutrons proportion ? source Pb: détermination de la dose reçue par le composant Simulation: logiciel Tripoli (en cours d’utilisation) 2. Présentation de la source d’Am-Be

17 17 Autre méthode utilisée: Lors de l’irradiation, une partie des atomes vont « absorber » un neutron. Certains de ces isotopes créés peuvent être radioactifs et émettre des photons γ qui pourront alors, si leurs caractéristiques le permettent, être détectés par spectrométrie γ. Ainsi, la spectrométrie γ effectuée sur les composants irradiés nous permet de remonter à l’activité de 72 Ga et d’ 198 Au présents dans nos composants. Observations: -1 pic d’ 198 Au (élément naturel: 197 Au à 100%) -2 pics de 72 Ga (éléments naturels: 69 Ga à 60% et 71 Ga à 40%) - les pics verts sont dus aux descendants du radon Spectrométrie γ réalisée sur des composants irradiés durant 3 jours 2. Présentation de la source d’Am-Be

18 18 D’après l’équation donnant l’activité: Avec: t → le temps d’irradiation σ → la section efficace de capture neutronique → la fluence T → la période de l’ 198 Au de 2,65 jours N → le nombre d’atome de l’ 197 Au la fluence et la section efficace de capture neutronique inconnues!!! A partir des courbes: Energie des neutrons Proportion  Energie Section efficace  Détermination de la section efficace moyenne → fluence Nb: la courbe du nombre de neutrons en fonction de leur énergie est déterminée par simulation. 2. Présentation de la source d’Am-Be

19 19 Plan de la présentation 1.Introduction 2.Présentation de la source d’Am-Be 3. Influence d’irradiations de neutrons thermalisés sur les performances électriques de transistors AlGaAs/InGaAs et AlGaN/GaN 4. Evolution des performances électriques des transistors AlGaN/GaN lors d’un stress électrique 5. Perspectives

20 20 3. Influence d’irradiations de neutrons thermalisés sur les performances électriques de transistors AlGaAs/InGaAs et AlGaN/GaN a. Transistors AlGaAs/InGaAs soumis à une irradiation de 3 semaines aux neutrons thermalisés → Augmentation de 6% de I ds max (121→128 mA) → Diminution de 24% de R k (67 →50 Ω)  Phénomènes non réversibles  Pas d’évolution pour une dose supérieure

21 21 3. Influence d’irradiations de neutrons thermalisés sur les performances électriques de transistors AlGaAs/InGaAs et AlGaN/GaN V gs (V) à un V ds =0V I gs (µA) V gs (V) à un V ds =3V I gs (mA) → Amélioration du courant de grille en inverse après une irradiation de 3 semaines (pour un V gs de -0,6 V I gs diminue de -27 à -21,5 µA) → Stable pour une dose plus élevée → η reste égal à 1,6 V → V b reste égale à 0,8 V Contact Schottky stable n.b.: V p reste stable à -0,73 V

22 22 Résultats et discussions:  Augmentation de I ds max de 6% (121 à 128mA)  Diminution de R k de 24% (67 →50 Ω)  Tension de pincement V p stable  η et V b stable Amélioration des contacts ohmiques Contact Schottky stable 3. Influence d’irradiations de neutrons thermalisés sur les performances électriques de transistors AlGaAs/InGaAs et AlGaN/GaN

23 23 b. Transistors AlGaN/GaN soumis à une irradition de 3 semaines aux neutrons thermalisés I ds (A) V ds (V) Augmentation de I ds max de 55% (35 à 57mA) Résistance d’accès quasi identitique Comparaison de I ds (V ds, V gs ) d’un transistor possédant une grille en Ni/au avant (courbes bleues) et après 3 semaines d’irradiation (courbes rouges) Disparition du point d’inflexion 3. Influence d’irradiations de neutrons thermalisés sur les performances électriques de transistors AlGaAs/InGaAs et AlGaN/GaN Amélioration du contact ohmique

24 24 Comparaison des courants de grille d’un contact Schottky en Ni/Au avant (courbe bleue) et après 3 semaines d’irradiation (courbe jaune Grille en Ni/Au I gs (A) V gs (V) Amélioration de la grille en Ni/Au après irradiation 3. Influence d’irradiations de neutrons thermalisés sur les performances électriques de transistors AlGaAs/InGaAs et AlGaN/GaN Amélioration du courant de grille en inverse Amélioration du courant de grille en direct Amélioration de η Amélioration de V b

25 25 Plan de la présentation 1.Introduction 2.Présentation de la source d’Am-Be 3. Influence d’irradiations de neutrons thermalisés sur les performances électriques de transistors AlGaAs/InGaAs et AlGaN/GaN 4. Evolution des performances électriques des transistors AlGaN/GaN lors d’un stress électrique 5. Perspectives

26 26 4. Evolution des performances électriques des transistors AlGaN/GaN lors d’un stress électrique Objectif : Influence des irradiations neutrons sur la fiabilité des transistors AlGaN/GaN Etude des paramètres électriques avant stress comme: - les performances électriques I ds (V ds ) c’est-à-dire I ds max et R k courant de grille η et V b - le comportement vis-à-vis d’un stress électrique But: comparer l’influence de stress électrique sur les performances des transistors avant et après irradiation Evolution de ces paramètres lorsque le transistor est soumis à un stress électrique

27 27 4. Evolution des performances électriques des transistors AlGaN/GaN lors d’un stress électrique Substrat Silicium Couche de nucléation GaN Al x Ga 1-x N non dopé SD G GaN nid Ti/Al/Ni/Au Mo/Au GaN nid Implantation He Présentation des échantillons: Couche de passivation SiO 2 /SiN

28 28 Les performances électriques peuvent être dégradés par la présence de pièges → Vérifier la présence de pièges Aucun effet de lumière et aucun effet d’hystérésis n’a été observé  Absence de pièges électriques 2 stress différents ont été effectués pour des échantillons ayant des distances grille-drain (L gd ) de 3,5 et 1,5µm: - Un avec V gs = -5V et V ds =20V Intérêt: Le stress se fait à canal pincé donc la grille est très sollicitée mais pas d’effet thermique - Un avec V gs =0V et V ds =20V Intérêt: La grille est moins sollicitée et présence d’effet thermique 4. Evolution des performances électriques des transistors AlGaN/GaN lors d’un stress électrique

29 29 a. Stress (-5,20) Diminution de I ds après 98h de stress et augmentation de la résistance d’accès. Les phénomènes sont réversibles: création de pièges? Phénomènes moins importants pour une longueur de grille inférieure I ds (A) V ds (V) Pour les composants ayant une distance grille-drain de 3,5µm (gauche) et 1,5µm (droite): 4. Evolution des performances électriques des transistors AlGaN/GaN lors d’un stress électrique V ds (V) I ds (A) Localisation des pièges entre la grille et le drain Caractéristiques I ds (V ds, V gs ) avant stress: bleues Caractéristiques I ds (V ds, V gs ) après stress: rouges

30 30 4. Evolution des performances électriques des transistors AlGaN/GaN lors d’un stress électrique Substrat Silicium Couche de nucléation GaN Al x Ga 1-x N non dopé SD G GaN nid Localisation des pièges

31 31 4. Evolution des performances électriques des transistors AlGaN/GaN lors d’un stress électrique Dégradations Création de pièges accepteurs Effet de lumière Création de pièges donneurs Etude du retour à l’état initial: Dégradations réversibles Pas de dégradation du composant A l’obscurité A la lumière

32 32 b. Stress (0,20) I ds (A) V ds (V) Pour les composants ayant une distance grille-drain de 3,5µm: 4. Evolution des performances électriques des transistors AlGaN/GaN lors d’un stress électrique → Phénomènes semblables mais moins importants Cela est expliqué un champ électrique plus faible pour ce stress Caractéristiques I ds (V ds, V gs ) avant stress: bleues Caractéristiques I ds (V ds, V gs ) après stress: rouges

33 33 4. Evolution des performances électriques des transistors AlGaN/GaN lors d’un stress électrique À canal pincé À canal ouvert Pas d’effet d’un stress électrique sur le courant de grille Ln I gs V gs (V) Comparaison du courant de grille en direct avant (courbe bleue) et après stress (courbe rose) Remarque: Aucune influence du stress électrique sur le courant de grille inverse Remarque: Aucune influence du stress électrique sur le courant de grille inverse

34 34 Conclusions -Diminution de I ds max et augmentation de R k pour les 2 stress électriques étudiés. - Les évolutions observées sont plus importantes lorsque le stress est réalisé à canal pincé -Les phénomènes observés sont réversibles - Mise en évidence de la création de pièges lors d’un stress électrique réalisé à canal pincé ou à canal ouvert -Localisation des pièges entre le drain et la grille -Création de pièges de types accepteurs mais aussi donneurs - Prochainement, ces échantillons seront irradiés 4. Evolution des performances électriques des transistors AlGaN/GaN lors d’un stress électrique

35 35 Plan de la présentation 1.Introduction 2.Présentation de la source d’Am-Be 3. Influence d’irradiations de neutrons thermalisés sur les performances électriques de transistors AlGaAs/InGaAs et AlGaN/GaN 4. Evolution des performances électriques des transistors AlGaN/GaN lors d’un stress électrique 5. Perspectives

36 36 5. Perspectives  Influence des neutrons rapides sur les transistors AlGaN/GaN possédant une grille en Pt/Au (actuellement en cours)  Comparaison des effets observés avec les effets observés lors d’irradiations par les neutrons thermiques  Influence des rayons gamma sur les semiconducteurs GaN et AlGaN  Irradiation des transistors qui ont subit les stress électriques  Tendances observées vis-à-vis des stress électriques effectués après irradiation sont-elles identiques à celles observées avant irradiation ?  Possibilité d’effectuer des doses élevées ?  gamma  neutrons  Possibilité de réaliser des stress électriques en même temps que l’irradiation