2D electron gas characterization and modelling of MIS-HEMTs grown on GaN
Caractérisation et modélisation du gaz 2D des dispositifs MIS-HEMTs sur GaN
Résumé
This thesis aims at studying the electrical characterization and modelling of two-dimensional (2D) electron gas in MOS-HEMT devices based on the hetero-junction AlGaN/AlN/GaN. These devices are very promising candidates for power electronics applications. This research work provides the production team with detailed data on phenomena affecting GaN material. The goal is to understand precisely how 2D electron gas works and evaluate its electronic transport properties. A new methodology has been developed to identify residual doping of the GaN layer. This method was developed in order to answer a real need to know this doping to determine the quality of the epitaxial GaN layer. The second research priority was to provide reliable measurement techniques and modelling of the transport properties of 2D electron gas. Within this framework, the split-CV and Hall effect measurements were carried out by providing for each of them a suitable experimental protocol, with an innovative set-up for Hall effect measurements. In addition, this experimental work was supported by modelling the transport properties of 2DEG based on Kubo-Greenwood's formalism. Finally, a more general aspect aimed at an in-depth understanding of the electrostatic stacking of the GaN-MOS-HEMT gate. It is based on C-V electrical characterization, modelling and parameter extraction. The model developed made it possible to highlight the impact of polarization surface charges and defects on the threshold voltage of MOS-HEMT. This model also contributed to the estimation of the value of deformation in epitaxial GaN layers on a Silicon substrate.
Le travail de thèse effectué porte sur la caractérisation électrique et la modélisation du gaz d’électrons à deux dimensions (2D) dans les dispositifs MOS-HEMT à base de l’hétérojonction AlGaN/AlN/GaN. Ces dispositifs ont un fort potentiel pour les applications d'électronique de puissance. Ce travail de recherche se place en soutien aux efforts de recherche pour l’élaboration des épitaxies GaN sur Si et pour les filières technologiques HEMT sur GaN. Il s'agit de comprendre précisément le fonctionnement du gaz d'électrons 2D et ses propriétés de transport électronique. Une nouvelle méthodologie a été développée pour identifier le dopage résiduel de la couche GaN, lequel est un paramètre important des substrats GaN et était par ailleurs difficile à évaluer. Un deuxième axe de recherche a consisté à proposer des techniques de mesure fiables ainsi qu’une modélisation des propriétés de transport du gaz d'électrons 2D. Dans ce cadre, des mesures split-CV et effet Hall ont été réalisées en fournissant pour chacune d’elles un protocole expérimental adéquat, avec un montage innovant pour les mesures effet Hall. Ce travail expérimental a été enrichi par une modélisation des propriétés du transport du 2DEG basée sur le formalisme de Kubo-Greenwood. Enfin, dans un dernier axe de recherche, un aspect plus général visant la compréhension en profondeur de l’électrostatique de l’empilement de la grille de nos GaN-MOS-HEMT a été proposé. Il est basé sur la caractérisation électrique C-V, la modélisation et l’extraction des paramètres. Le modèle développé a permis de souligner l'impact des charges surfaciques de polarisation et des défauts sur la tension de seuil des MOS-HEMT. Ce modèle a également permis d’estimer une valeur de la déformation dans les couches GaN épitaxiées sur un substrat Silicium.
Origine : Version validée par le jury (STAR)