Etude de l'influence du mécanisme d'ionisation par impact sur les performances et la fiabilité des transistors à effet de champ sur substrat III-V PDF Download
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Book Description
Ces travaux présentent une étude sur le mécanisme d'ionisation par impact se produisant dans les transistors à effet de champ de puissance sur substrat GaAs. Ce mécanisme est un effet parasite des FETs et consiste en la création de paires électrons/trous dans le canal induit par les électrons fortement accélérés par 1e champ électrique. Cette étude porte sur quatre technologies de FETs (MESFET DCFET, PHEMT et PHEMT de puissance). L'influence du mécanisme d'ionisation, par impact sur les performances électriques statiques des dispositifs a été évalué, notamment sur les caractéristiques de grille, de transfert et sur les lieux de claquage mesurés à l'aide d'une technique d'injection de courant. Le banc de mesure du bruit aux basses fréquences associé au courant de grille développé durant cette thèse, est décrit dans la deuxième partie. La caractérisation du bruit de grille des FETs en régime d'ionisation par impact a permis de modéliser le bruit en 1/f comme étant proportionnel au taux d'ionisation au carré. De plus, l'analyse du bruit en courant des contacts Schottky s'est révélée efficace pour la détection des dégradations localisées aux interfaces passivation/semiconducteur et passivation/métallisation. La dernière partie de ce document présente une étude de fiabilité menée sur les technologies MESFET, PHEMT et PHEMT de puissance ayant subies des vieillissements sous polarisations statiques associés ou non à un fonctionnernent dynamique en régime de compression du gain. Il apparaît que le mécanisme d'ionisation par impact associé au champ électrique est un mécanisme de dégradation présentant des modes de dégradation qui dépendent de la technologie.
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Ces travaux présentent une étude sur le mécanisme d'ionisation par impact se produisant dans les transistors à effet de champ de puissance sur substrat GaAs. Ce mécanisme est un effet parasite des FETs et consiste en la création de paires électrons/trous dans le canal induit par les électrons fortement accélérés par 1e champ électrique. Cette étude porte sur quatre technologies de FETs (MESFET DCFET, PHEMT et PHEMT de puissance). L'influence du mécanisme d'ionisation, par impact sur les performances électriques statiques des dispositifs a été évalué, notamment sur les caractéristiques de grille, de transfert et sur les lieux de claquage mesurés à l'aide d'une technique d'injection de courant. Le banc de mesure du bruit aux basses fréquences associé au courant de grille développé durant cette thèse, est décrit dans la deuxième partie. La caractérisation du bruit de grille des FETs en régime d'ionisation par impact a permis de modéliser le bruit en 1/f comme étant proportionnel au taux d'ionisation au carré. De plus, l'analyse du bruit en courant des contacts Schottky s'est révélée efficace pour la détection des dégradations localisées aux interfaces passivation/semiconducteur et passivation/métallisation. La dernière partie de ce document présente une étude de fiabilité menée sur les technologies MESFET, PHEMT et PHEMT de puissance ayant subies des vieillissements sous polarisations statiques associés ou non à un fonctionnernent dynamique en régime de compression du gain. Il apparaît que le mécanisme d'ionisation par impact associé au champ électrique est un mécanisme de dégradation présentant des modes de dégradation qui dépendent de la technologie.
Author: Bruno Coupier Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 277
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Ce travail s'inscrit dans le cadre d'études récentes pour la compréhension à l'échelle moléculaire des effets des rayonnements ionisants sur les systèmes biologiques, mises en oeuvre par le groupe IPM de l'IPNL en collaboration avec l'Institut für Ionenphysik de l'Université d'Innsbruck. Il est composé de deux parties. La première présente un nouvel ensemble de mesures des sections efficaces d'ionisation de l'hélium par impact de protons ou d'atomes d'hydrogène dans la gamme d'énergie d'intérêt pour la radiobiologie (20 à 150keV). Il s'agit de systèmes modèles d'intérêt pour la compréhension des phénomènes de base, et les collisions H + He ont fait l'objet, jusqu'à présent, de peu d'études utilisant les techniques de coïncidences. En outre, cette étude avec l'hélium a été faite dans l'intention de réaliser un test général de fonctionnement de l'appareillage avant d'aller vers des systèmes plus complexes. Des études similaires ont été ensuite réalisées en remplaçant la cible d'hélium par l'eau ou par des molécules d'intérêt biologique (Uracil, Thymine ...). La seconde partie de la thèse traite d'un autre type de radiations ionisantes que l'on peut voir comme une des conséquences secondaires des radiations étudiées dans la première partie. Des électrons de faible énergie (1 à 16eV) sont émis lors du bombardement de la matière par des protons ou des atomes d'hydrogène rapides; ces électrons ayant à leur tour des effets ionisants sur l'environnement. Une étude de l'attachement dissociatif des électrons sur l'eau a été entreprise à l'université d'Innsbruck, motivée par l'existence d'importants désaccords entre les précédentes études sur le même sujet. Le problème de la discrimination des ions à grande énergie cinétique dans le monochromateur trochoïdal utilisé pour cette étude a fait l'objet d'une attention particulière.
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Le transistor à ionisation par impact (I-MOS) est une nouvelle architecture présentant l'avantage de s'affranchir de la barrière des 60mV/dec à température ambiante, qui limite la pente sous le seuil de l'architecture MOSFET classique. Le I-MOS se présente comme une diode PiN dont la zone intrinsèque est partiellement recouverte par une grille. L'objectif de cette thèse est d'évaluer les performances du I-MOS comme candidat potentiel à « l'après CMOS », à la fois du point de vue du dispositif unitaire et dans un environnement circuit. Nous avons étudié le dispositif par le biais de simulations TCAD, afin de comprendre le dispositif et d'analyser la physique mise en jeu dans ce transistor. Nous avons fabriqué nos dispositifs sur substrats SOI, Si1-xGexOI et GeOI et proposé un procédé innovant de réalisation du I-MOS. Les dispositifs réalisés ont été testés électriquement afin de vérifier les propriétés fondamentales du I-MOS (2mV/dec mesurés...) et de comparer les performances du I-MOS avec celles des MOSFET co-intégrés. Le fonctionnement des I-MOS en mode tunnel bande à bande a aussi été observé. Nous avons également développé un modèle analytique pour le I-MOS qui décrit correctement le fonctionnement électrique du dispositif. Ce modèle a ensuite été intégré dans un environnement SPICE pour réaliser des simulations de circuits à base de I-MOS.
Author: Michel Rousseau Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 50
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Ce mémoire présente une synthèse des résultats scientifiques obtenus au cours de quatre thèses co-dirigées. Ce travail a été réalisé à l'IEMN, dans le groupe de recherche 'Composants et dispositifs micro-ondes de puissance'. Ces travaux ont pour but de faire une analyse physique des transistors à effet de champ destinés à l'amplification microonde de puissance, à l'aide de modèles macroscopiques bidimensionnels. Différents modèles spécifiques ont été développés, chacun correspondant à un objectif précis. Tous ces modèles ont été validés, la plupart du temps par des comparaisons avec les résultats expérimentaux. Une fois validé, chaque modèle devient un outil permettant l'analyse physique de composants, très utile pour le technologue car capable d'aider à l'optimisation de structures. Le premier chapitre est consacré à l'élaboration d'un modèle hydrodynamique complet, prenant en compte les effets inertiels. Pour ce faire il faut inclure dans le modèle la résolution des équations du moment. Un certain nombre d'améliorations du modèle ont été effectuées à ce moment-là, comme par exemple la modélisation des interfaces que sont les hétérojonctions et la grille Schottky. Au cours de ce travail, nous avons montré que pour des transistors à effet de champ en arséniure de gallium il devient nécessaire d'utiliser un modèle hydrodynamique complet dès que la longueur de grille devient inférieure à 0,5 μm, sinon on surestime de façon importante le courant circulant entre drain et source, car on surestime le phénomène de survitesse. Le deuxième chapitre est consacré à l'analyse du claquage par avalanche dans les pHEMTs de la filière GaAs. Cette étude a demandé le développement d'un modèle bipolaire incluant la génération par impact. Différentes topologies du fossé de grille ont été étudiées, d'où il ressort que la topologie la plus intéressante est celle à double fossé de grille, et que l'optimisation du double fossé de grille dépend de la classe de fonctionnement. Nous avons également montré que pour réduire le courant de grille, il est préférable de n'utiliser qu'un seul plan de dopage. Le troisième chapitre décrit les travaux les plus récents, consacrés à la filière des matériaux à grande largeur de bande interdite. Une première analyse concerne les effets thermiques particulièrement marqués dans cette filière. Pour cela, un modèle électro-thermique a été mis au point. Nous avons ainsi expliqué la saturation du courant observée sur des motifs de type TLM réalisés sur des épitaxies de la filière nitrure de gallium; celle-ci est observée pour des champs électriques bien inférieurs au champ critique de ce matériau. L'influence du substrat sur la température de la zone active a également été étudiée. Cet outil est capable de prévoir quel sera l'échauffement de la structure pour un substrat donné, et d'évaluer quelles seront les pertes de performances du composant, du fait de cet échauffement. L'autre étude est consacrée à l'analyse des électrodes de champ plat, utilisées pour augmenter les tensions de claquage. Le mécanisme d'étalement du champ électrique a été mis en évidence ainsi que l'étalement de l'énergie. Les conséquences sur les éléments du schéma équivalent petits signaux ont également été étudiées. On a donc un modèle capable de permettre l'optimisation de ces électrodes de champ plat.
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Le transistor à ionisation par impact (I-MOS) est une nouvelle architecture présentant l'avantage de s'affranchir de la barrière des 60mV/dec à température ambiante, qui limite la pente sous le seuil de l'architecture MOSFET classique. Le I-MOS se présente comme une diode PiN dont la zone intrinsèque est partiellement recouverte par une grille. L'objectif de cette thèse est d'évaluer les performances du I-MOS comme candidat potentiel à « l'après CMOS », à la fois du point de vue du dispositif unitaire et dans un environnement circuit. Nous avons étudié le dispositif par le biais de simulations TCAD, afin de comprendre le dispositif et d'analyser la physique mise en jeu dans ce transistor. Nous avons fabriqué nos dispositifs sur substrats SOI, Si1-xGexOI et GeOI et proposé un procédé innovant de réalisation du I-MOS. Les dispositifs réalisés ont été testés électriquement afin de vérifier les propriétés fondamentales du I-MOS (2mV/dec mesurés...) et de comparer les performances du I-MOS avec celles des MOSFET co-intégrés. Le fonctionnement des I-MOS en mode tunnel bande à bande a aussi été observé. Nous avons également développé un modèle analytique pour le I-MOS qui décrit correctement le fonctionnement électrique du dispositif. Ce modèle a ensuite été intégré dans un environnement SPICE pour réaliser des simulations de circuits à base de I-MOS.
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Ce travail porte sur l'étude des interfaces semi-conducteur/diélectrique et semiconducteur/électrode dans les transistors organiques à effet de champ (OFETs). En effet, le transport et l'injection des charges se trouvent affectés par la qualité de ces interfaces.L'objectif est donc la compréhension de l'influence des caractéristiques morphologiques(rugosité, énergie de surface) et électroniques (travail de sortie) du diélectrique ou del'électrode sur les performances des OFETs.Dans un premier temps, des OFETs sur substrats de silicium à base de pentacène ontété fabriqués et les interfaces traitées à l'aide de monocouches auto-assemblées (SAMs). Legreffage des SAMs tels que l'OTS8 ou l'OTS, en neutralisant les groupes hydroxyles et enprésentant une surface apolaire, conduit à une réduction de la densité de pièges en surface. Deplus, les pièges présents dans la couche active et dus aux joints de grains sont moinsnombreux grâce à une croissance 2D en larges grains du pentacène sur OTS. Cesmodifications de l'interface sont mises en évidence par une réduction de la tension de seuil,de la pente sous le seuil ainsi que de l'hystérésis. Le transport ainsi favorisé des chargespermet une amélioration de la mobilité jusqu'à 0,6 cm2/Vs.Nous nous sommes également intéressés à l'interface semi-conducteur/électrode et àsa modification par des SAMs fluorés tels que le PFBT, le PFHT et le PFDT. L'influence desSAMs est présente tant au niveau morphologique, en améliorant la continuité de croissance dupentacène à la jonction diélectrique/électrode qu'au niveau électronique en augmentant letravail de sortie de l'électrode. La réduction de la résistance de contact RC souligne clairementces modifications et conduit à des mobilités maximales de 0,6 cm2/Vs. Par la suite, nousavons choisi de modifier ces deux interfaces dans un même dispositif, ce qui nous a permisd'atteindre des mobilités moyennes élevées de 1,3 cm2/Vs.La dernière partie de ces travaux a été dédiée à la fabrication d'OFETs basse tension àbase de pentacène ou de C60 sur substrats de verre. Le caractère basse tension de cesdispositifs est rempli grâce à l'utilisation d'un diélectrique composé de deux couches : undiélectrique à forte constante diélectrique, l'oxyde d'aluminium, et une fine couche d'undiélectrique à faible constante diélectrique comme les SAMs (C8-PA ou C18-PA) ou lespolymères (PMMA ou PVT). Cette combinaison permet d'atteindre des mobilités(m = 0,4 cm2/Vs) encourageantes pour des OFETs de type n ainsi que de faibles hystérésis(
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Les modules d’électronique de puissance sont appelés à être fortement intégrés et poussés aux limites de leurs capacités de fonctionnement. D’autre part, ces modules sont souvent soumis à des environnements thermiques sévères qui peuvent altérer profondément les propriétés des semi-conducteurs, voire même les détruire. La température peut jouer un rôle essentiel dans les mécanismes de dégradation. Ce travail a pour objectif la prise en compte des mécanismes de dégradation dans les composants microélectroniques, de type VDMOS de puissance, sur leurs performances électriques. Une analyse numérique de l’effet de la contrainte thermique sur les caractéristiques statiques et dynamiques du transistor VDMOSFET de puissance a été effectuée. Sous les conditions de la contrainte thermique, nous observons quelques modifications des propriétés physiques et électriques du VDMOS. Nous analysons théoriquement et numériquement, les paramètres responsables de ces modifications. Une expression approximative du coefficient d’ionisation en fonction de la température a été proposée. La tension de claquage et l’extension maximale de la charge d’espace en fonction du dopage et de la température ont été calculées pour une jonction plane abrupte P+N dissymétrique. L’effet de la contrainte thermique sur les caractéristiques dynamiques C(V) a été observé et analysé. Dans un champ étendu de conditions expérimentales, ce travail consiste, par des analyses physiques approfondies et des simulations 2D (Silvaco), à mettre en évidence ces phénomènes de dégradation pouvant causer des défaillances des dispositifs et systèmes microélectroniques à base de VDMOS. Nous avons étudié les contraintes à forts champs électriques (HEFS), à la température en fonctionnement opérationnel, à haute température sous polarisation (BTI) et à cyclage thermique sous polarisation sur la tension de seuil et sur le transfert de charge du VDMOSFET de puissance à canal n. les caractéristiques du transfert de charge et C-V ont été étudiées durant les contraintes. Nous expliquons les causes principales dues à la dégradation dans le VDMOSFET qui sont les piégeages de charges dans l’oxyde et à l’interface oxyde-silicium induits par des porteurs libres qui ont l’énergie suffisante pour traverser la barrière SiO2/Si.
Author: Astrid Gautier-Levine Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 195
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LES BESOINS CROISSANTS HAUTS DEBITS DE TRANSMISSION EN TELECOMMUNICATION OPTIQUE, AINSI QUE LA GRANDE COMPLEXITE DE DISTRIBUTION DES RESEAUX, NECESSITENT L'UTILISATION DE MATERIAUX TRES PERFORMANTS DANS LA FABRICATION DES COMPOSANTS ELECTRONIQUES DE PLUS EN PLUS RAPIDES. LE MATERIAU INP ET SES DERIVES CONDUISENT A DES PERFORMANCES ELECTRIQUES RECORDS PARMI LES COMPOSANTS UTILISES EN MICRO-ELECTRONIQUE. DES PROGRES SONT ENCORE POSSIBLES SI LES EFFETS PARASITES OBSERVES PEUVENT ETRE REDUITS LORS DE LA FABRICATION DE CES DISPOSITIFS. DANS CE TRAVAIL, L'ACCENT EST MIS SUR LES EFFETS PARASITES. EN PARTICULIER : L'EFFET COUDE (KINK), L'EFFET DE RETARD DE GRILLE GATE LAG, LE RETARD SUR LE DRAIN DRAIN LAG, LA DISPERSION EN FREQUENCE DE LA TRANSCONDUCTANCE ET DE LA CONDUCTANCE DE SORTIE, LE COURANT DE FUITE, ET LE BRUIT SONT ANALYSES. PAR LE BIAIS DE LA CARACTERISATION DES COMPOSANTS, IL EST POSSIBLE DE MIEUX COMPRENDRE LE LIEN ENTRE LA DETERIORATION DES PERFORMANCES ELECTRIQUES ET LES EFFETS PARASITES, ET DONC DE PROPOSER DES ELEMENTS DE SOLUTION AUX EPITAXIEURS ET AUX TECHNOLOGUES. UNE COMPARAISON EST FAITE ENTRE TRANSISTORS HFET A CANAL SIMPLE ET DOUBLE EN INP OU GAINAS/INP, AVEC POUR FIL DIRECTEUR : LES PIEGES DE SURFACE ET D'INTERFACE. UN MODELE SIMPLE PERMET LE PASSAGE DE LA SIMULATION A LA MESURE. LES PIEGES SONT LA SOURCE PREMIERE DE DRAIN LAG ET DE DISPERSION EN FREQUENCE DE LA CONDUCTANCE DE SORTIE. SUIVANT LE MATERIAU UTILISE ET SUIVANT LE POINT DE FONCTIONNEMENT NOMINAL, LES PIEGES SONT MODELISES SOIT PAR UNE SIMPLE CELLULE RC OU PAR UNE CELLULE RC ASSOCIEE A UNE SOURCE DE COURANT POUR TENIR COMPTE DE LA COMPOSANTE IONISATION PAR IMPACT. LES COMPORTEMENTS LIES AUX PIEGES SONT DIFFERENTS SELON LE MATERIAU ET LA GEOMETRIE DU COMPOSANT.
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CE MEMOIRE DE THESE TRAITE DE LA FIABILITE DES CIRCUITS INTEGRES MONOLITHIQUES EN ARSENIURE DE GALLIUM POUR L'AMPLIFICATION DE PUISSANCE MICRO-ONDES A BORD DES SATELLITES DE TELECOMMUNICATIONS ET D'OBSERVATION. L'OBJECTIF DE CE TRAVAIL EST DE DETERMINER DES REGLES DE REDUCTION DES CONTRAINTES (EN TERMES DE TEMPERATURE, COURANT, TENSION, PUISSANCE) APPLIQUEES AUX CIRCUITS MICRO-ONDES. LA PREMIERE PARTIE ENONCE LES NOTIONS FONDAMENTALES DE LA FIABILITE DES COMPOSANTS EN ARSENIURE DE GALLIUM SUIVIS D'UNE SYNTHESE DES PRINCIPAUX MECANISMES DE DEFAILLANCES DES TRANSISTORS A EFFET DE CHAMP EN ARSENIURE DE GALLIUM. LE SECOND CHAPITRE PROPOSE UNE METHODOLOGIE PERMETTANT L'EVALUATION DE LA FIABILITE DES CIRCUITS INTEGRES A SEMI CONDUCTEUR BASEE SUR LA DEFINITION DES VEHICULES DE TEST ET SUR LA MISE EN UVRE D'ESSAIS DE FIABILITE APPROPRIES. A PARTIR DES RESULTATS OBTENUS LORS DES ESSAIS DE STOCKAGE A HAUTE TEMPERATURE ET DE VIEILLISSEMENT SOUS CONTRAINTES ELECTRIQUES STATIQUES, LA FIABILITE DE LA TECHNOLOGIE EST EVALUEE. CETTE PARTIE FAIT L'OBJET DU TROISIEME CHAPITRE. NOUS VALIDONS DANS LE QUATRIEME CHAPITRE L'APPLICATION CONSIDEREE (L'AMPLIFICATION DE PUISSANCE EN BANDE X) AU TRAVERS D'ESSAIS DE VIEILLISSEMENT SOUS CONTRAINTES ELECTRIQUES DYNAMIQUES. LE MECANISME DE DEGRADATION ACTIVE LORS DU FONCTIONNEMENT DU TRANSISTOR EN AMPLIFICATION DE PUISSANCE EST DU A LA MULTIPLICATION DES PORTEURS PAR IONISATION PAR IMPACT. A PARTIR DE CETTE ANALYSE, UNE METHODOLOGIE ALLIANT LA SIMULATION ELECTRIQUE NON-LINEAIRE AVEC DES ESSAIS DE VIEILLISSEMENT ACCELERE DE COURTE DUREE EST DEGAGEE. CETTE METHODOLOGIE PERMET D'EVALUER LA FIABILITE DES TRANSISTORS DE PUISSANCE EN ARSENIURE DE GALLIUM DES LE STADE DE LA CONCEPTION DES EQUIPEMENTS.
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L'ETUDE DES EFFETS DE PORTEURS CHAUDS POUVANT INDUIRE UNE DEGRADATION ELECTRIQUE DES CIRCUITS INTEGRES EST D'UNE GRANDE IMPORTANCE POUR LES COMPOSANTS AVANCES. DANS LES TRANSISTORS FORTEMENT SUBMICRONIQUES, LA CARACTERISATION ET LA MODELISATION A TEMPERATURE AMBIANTE ET A BASSES TEMPERATURES DE L'IONISATION SECONDAIRE PAR IMPACT ET DU COURANT DE GRILLE QUI EN RESULTE, COMPLETEE PAR L'ETUDE DE L'EMISSION LUMINEUSE LIEE A CE MECANISME, ONT ETE MENEES A BIEN, APPORTANT UNE MEILLEURE COMPREHENSION DE LA GENERATION DE PORTEURS CHAUDS DONT L'ENERGIE EST RESPONSABLE DE LA CREATION D'ETATS D'INTERFACE ET DE LA DEGRADATION DES PERFORMANCES DES COMPOSANTS. TIRANT PROFIT DE L'ACCELERATION DU VIEILLISSEMENT ELECTRIQUE PAR L'INTENSIFICATION DE L'IONISATION SECONDAIRE, UNE NOUVELLE METHODE DE PREDICTION DE LA DUREE DE VIE DES TRANSISTORS DANS LEURS CONDITIONS NOMINALES DE POLARISATION EST PROPOSEE. ENFIN, L'IMPACT DU TYPE DE CONTRAINTE ELECTRIQUE ET DE L'ARCHITECTURE TECHNOLOGIQUE SUR LA FIABILITE DES COMPOSANTS SONT ETUDIES.
Author: Benoît Lambert
Author: Benoît Lambert
Author: Bruno Coupier
Author: Frédéric Mayer
Author: Michel Rousseau
Author: Frédéric Mayer
Author: Mélanie Devynck
Author: Mohamad Alwan
Author: Astrid Gautier-Levine
Author: Jean-Luc Muraro
Author: Bertrand Marchand