Contribution to the understanding and the reduction of the current collapse effect in AlGaN/GaN HEMTs and diode on Si substrate for power electronics

Les travaux présentés dans ce manuscrit portent sur l'étude et la réduction des phénomènes de dégradation dans les transistors et diodes AlGaN/GaN épitaxiés sur substrat silicium pour des applications de puissance. Le "current collapse" ou effondrement de courant concerne les dégradations non permanentes des caractéristiques des composants après un stress haute tension. Il s'agit dans ce travail d'identifier l'origine et la nature de ces dégradations dans la structure complexe des composants GaN. Pour étudier l'impact des stress électriques haute tension, un montage spécifique de caractérisation de la résistance dynamique des diodes de puissance a été réalisé. Le deuxième axe de ces travaux a été l'identification de paramètres influençant ces dégradations. Une étude autour de la plaque de champ de cathode de diodes a permis de localiser et d'identifier précisément les pièges à l'origine de ces dégradations. C'est par des caractérisations électriques sur des structures de test adaptées que l'on peut arriver à décorréler ces effets complexes. Enfin, une partie de ce travail a consisté à étudier l'influence de l'épitaxie des composants GaN sur leurs performances dynamiques. Pour cela, nous avons pu combiner des mesures de relaxation de diodes avec des mesures permettant d'étudier spécifiquement la génération de charges dans l'épitaxie. Nous avons pu montrer que l'introduction d'une barrière enterrée pGaN peut permettre la génération de charges positives qui vont prévenir le piégeage dans les couches profondes. Nous avons aussi pu mettre en évidence la très grande sensibilité des composants GaN à leurs conditions de croissance et que l'intégration du contact ohmique est une étape critique pour les performances dynamiques.The aim of this thesis is to study and reduce the "current collapse" effect in AlGaN/GaN HEMTs and diodes on Si substrate for power electronics. This effect is a degradation that appears after a high voltage stress, related to traps and leading to a degradation of devices ON state characteristics. A part of this work was to localize and to identify these traps. First, a state-of-the-art setup dedicated to the measurement of the relaxation of GaN diodes has been realized. Also, a study has been performed around the cathode field-plate environment and the related degradation. It made us identify passivation and buffer related traps using appropriate electrical characterization on test structures and diodes. Another part of this work consisted to study the buffer related degradation and to improve the device performance by using appropriate buffer engineering. A pGaN layer showed a really goog behavior, generating holes that could modify the negative charge of carbon related deep traps. We also worked on the effect of the ohmic integration and the use of a different epitaxial equipment on the charge distribution in the buffer. Using these experiments and TCAD simulations, the mechanisms leading to the "current collapse" effect are better understood and some recommendations to reduce this effect can be followed