Optimisation, fabrication et caractérisation d’un capteur de gaz à base d’hétérostructure AlGaN/GaN HEMT

Modélisation et optimisation de l’hétérostructure AlGaN/GaN

La fabrication d’un composant électronique performant est précédée obligatoirement par une étape de modélisation et de simulation pour l’optimisation de tous les paramètres qui ont un effet sur les performances du composant final. Cette étape permet aussi de bien comprendre les phénomènes physiques liées au fonctionnement de ce type de capteurs. Dans une structure HEMT AlGaN/GaN, les paramètres les plus importants sont la concentration du gaz d’électrons (2-DEG) et la mobilité de ces charges libres. La formation du 2-DEG dépend essentiellement du type, de la qualité cristalline et de l’épaisseur des couches des matériaux utilisés. La formation du 2-DEG dans la structure AlGaN/GaN est due principalement à deux phénomènes : le premier est lié à l’écart entre les niveaux de bandes de conduction (Ec) à l’interface AlGaN/GaN (band bending). L’équation de Poisson explique parfaitement ce phénomène : g gs p(*) g∅ gs = 4u (v4U ∅ h5 (8) En revanche, le deuxième phénomène est un phénomène quantique qui explique la discrétisation des niveaux d’énergie qui se produit à l’interface. Ce phénomène est mieux décrit par l’équation de Schrödinger : − m L w g gs 9 S∗(s) g gs x + k * = Ix (9) x : fonction d’onde d’un électron I : énergie d’électron k(*) : énergie potentielle rencontrée par l’électron ℎ : constant de Planck m*(x) : mass effective d’un électron x : coordonnée spatiale linéaire En conséquence, résoudre l’ensemble de l’équation Schrödinger-Poisson permet d’obtenir des informations sur la densité des charges (ns) dans l’interface AlGaN/GaN, et de tracer le diagramme des bandes d’énergie. Ces paramètres seront utilisés pour l’optimisation de notre capteur. 

OPTIMISATION ET CARACTERISATION DE L’HETEROSTRUCTURE ALGAN/GAN 

La densité des charges du gaz d’électrons et les caractéristiques I-V L’utilisation du modèle décrit par Li et al. [118] pour une structure HEMT AlGaN/GaN permet d’obtenir la caractéristique courant-tension, dans laquelle le courant dans le canal est donné par l’équation (10) : fg » = qJzo * { » * (10) Wg, o(x) et ns(x) sont respectivement la largeur de la grille, la vitesse et la densité des porteurs de charge pour une position x dans le canal. La densité des porteurs de charges peut être donnée par l’équation (11), selon la solution d’auto-cohérence des équations Poisson-Schrödinger en une dimension (1-D) : { » = h ug kJ » − klm − In (11) ns : densité des porteurs de charges dans le canal p et d : permittivité et épaisseur de la couche AlmGa(1- m)N Vgs : tension appliquée sur la grille Vth : tension de seuil EF = k1 + k2 { » 9/w + k3ns : niveau de Fermi par rapport à la bande de conduction de la couche de GaN k1, k2, et k3 sont des paramètres dépendant de la température ; ils sont obtenus à partir de trois valeurs différentes de ns et d’EF obtenues en résolvant l’équation de Schrôdinger pour une température donnée [120-123]. Vth est donnée par : klm } = ∅~ } − ∆I } − u(vg L wh S − ÄÅÇ S g h(S) (12) ∅~ : hauteur de la barrière Schottky ∆I : discontinuité de la bande de conduction au niveau de l’interface AlGaN/GaN ND : concentration de dopage de la couche AlGaN F#2 : densité des charges au niveau de l’interface La variation de la vitesse des électrons en fonction du champ électrique est modélisée à l’aide d’un modèle décrit avec précision. La vitesse de dérive pour un faible champ électrique, et en même temps pour des régimes de vitesse de saturation est : o I = µ0 I+oÉ=> I IÑ 4 1+ I IÑ 4 +O I IÑ (13) o I : vitesse des porteurs µ? : mobilité des porteurs au faible champ électrique E : champ électrique dans le canal o »‘l : vitesse de saturation des porteurs ET : champ électrique critique En outre, le modèle de la mobilité à faible champ électrique en fonction de la tension de la grille est fait en utilisant l’expression de [121] : µ? = Ü1 Ü2+ káÉ+Ü3 2 (14) Les p1, p2, et p3 sont des paramètres expérimentaux. Dans notre modèle final, la mobilité des porteurs de charges, la vitesse de saturation et la bande d’énergie, en fonction de la température sont ajoutés [124]. Les caractéristiques I-V sont ensuite calculées en intégrant le courant le long du canal. Dans le modèle, les conditions aux limites sont appropriées aux résultats, afin d’obtenir deux systèmes d’équations non linéaires. La solution de ce système d’équations permet de tracer le courant pour les deux régions : faible champ et vitesse de saturation séparément. La combinaison de ces deux derniers permet de tracer la courbe I-V sur les deux régions [118]. L’effet de la polarisation de la grille et la température de fonctionnement sur la caractéristique I-V est présenté dans la figure 2.7. Figure 2.7 : a) Caractéristiques I-V en fonction de la polarisation de la grille, b) Effet de la température sur le courant de sortie Ids La simulation montre que l’augmentation de la température de fonctionnement conduit à une diminution du courant de saturation Ids. Cette diminution peut être attribuée à la diminution de la mobilité des charges de 2-DEG, et par conséquent, la diminution de la densité de ce dernier [125,126]. Vds (V) Ids (mA) Ids (mA) Vds (V) 

 Mécanismes de détection des molécules de gaz

Le mécanisme de détection dépend de plusieurs facteurs, parmi eux : le type de gaz, la température de fonctionnement, le type de catalyseur et la surface d’AlGaN [74]. En général, la réaction des molécules de gaz, oxydant ou réducteur, se fait soit sur la surface de la couche fonctionnelle (Pt), ou directement à l’interface Pt/AlGaN dans le cas d’une couche Pt poreuse. Les réactions des molécules de gaz se font en deux étapes : physisorption et chimisorption. En premier temps, la dissociation des molécules sur la surface de la couche fonctionnelle conduit à une formation des ions d’oxygène chargés négativement dans le cas du NO2, ou des ions d’hydrogène chargés positivement dans le cas du NH3. Ces ions diffusent rapidement dans la couche fonctionnelle à travers des pores ou des joints de grains, et forment une chimisorption sur des sites d’adsorption à la surface AlGaN [38, 127]. Un autre mécanisme de détection peut être décrit par la possibilité des molécules de gaz ou des ions à interagir capacitivement avec les sites d’adsorption à la surface AlGaN à travers les pores. Le mécanisme de détection du NH3 a également été signalé comme un mécanisme « triple point », dans lequel les molécules du NH3, la couche fonctionnelle, et la surface des semi-conducteurs sont tous en contact à la fois [128]. Cela nécessiterait une couche de Pt très poreuse. Concernant la détection du monoxyde d’azote NO, il a été rapporté parfois comme un gaz réducteur qui ne se dissocie pas facilement sur Pt, et nécessitant donc une couche poreuse pour la détection. Dans tous les cas, dans le modèle développé par Bishop et al. [129], les sites d’adsorption et les états d’interface sont modélisés comme des charges électriques. La figure suivante résume les différents mécanismes de détection possible pour les trois gaz cibles : Figure 2.8: Différentes réactions possibles des trois gaz cibles sur la couche fonctionnelle (Pt)  Cette procédure de détection conduit à une variation de la hauteur de la barrière Schottky à l’interface Pt-AlGaN, ce qui conduit à une variation de la tension du seuil du transistor HEMT. Dans tous les cas, le décalage de tension pour les mécanismes dissociatifs modélisé à l’aide d’un isotherme Tempkin est exprimé par [75, 130] : ∆k = âäãå pp0 (15), å = ç !á=É 1+ç !á=É (16) Ni : concentration des états d’interface disponibles â : moment dipolaire associé à la chimisorption entre les ions de gaz et les pièges d’interface p : permittivité de la couche dipolaire å : fraction des pièges d’interface liés par des molécules de gaz ionisées K : constante d’équilibre de taux d’adsorption et de désorption Pgas : pression partielle du gaz K est une fonction qui dépend à la fois de la température et de la concentration de gaz. Elle peut être obtenue à partir d’expériences thermodynamiques. Cette expression pour la variation de la tension de seuil, suppose un équilibre entre l’adsorption et la désorption du gaz, dans lequel K et la couverture de surface ne changent pas dans le temps.

Effet de l’incorporation de l’aluminium et de l’épaisseur de la couche AlGaN sur les performances des capteurs

Une autre considération pour la fabrication d’un capteur de HEMT est l’épaisseur de la couche AlGaN et la quantité d’aluminium incorporée dans cette couche. L’épaisseur est directement liée à la présence du gaz d’électron 2-DEG. Cela est dû à la polarisation induite à l’interface AlGaN/GaN [120], comme il a été expliqué dans la section précédente. En outre, le pourcentage d’aluminium incorporé dans la couche AlGaN détermine la tension du seuil due à l’effet de la polarisation totale (Psp et Ppz) à l’interface AlGaN/GaN selon l’équation (12). La Figure 2.9 représente la variation de la sensibilité et le Delta I du capteur en fonction de l’incorporation de l’aluminium et de l’épaisseur (d) de la couche de polarisation AlGaN pour une tension de grille de 0V.  Figure 2.9 : Effet de l’épaisseur de la couche AlGaN et l’incorporation d’aluminium sur la sensibilité de capteurs Les résultats de la simulation montrent que la sensibilité du capteur est inversement proportionnelle à la teneur en aluminium. Cela s’explique par le fait qu’une faible incorporation d’aluminium diminue le courant initial du HEMT, de sorte que la variation relative du courant soit plus grande lorsque la densité de 2-DEG est faible. Cependant, le courant du capteur mesuré dans ce cas serait très faible. Aussi, Bykhonski et al. et Bourret et al. ont démontré que pour une faible concentration d’Aluminium, une couche barrière AlGaN épaisse peut être élaborée puisque la contrainte effective est faible[131,132] . En effet, l’augmentation de l’épaisseur de la couche barrière conduit à une augmentation de l’énergie totale de déformation (contrainte) présente dans le système. Au-delà d’une certaine épaisseur appelée épaisseur critique, l’énergie de déformation stockée dans la couche AlGaN peut conduire à la formation rapide de dislocations. Ces deux paramètres ont un effet direct sur le confinement des porteurs de charges dans le canal, et par conséquent, sur la tension du seuil. Cette dernière diminue avec l’augmentation de l’épaisseur d’AlGaN et l’incorporation de l’Al. Nous voyons que, pour une épaisseur optimale d’AlGaN de 20nm, le Delta I (∆f) est optimisé pour une incorporation d’aluminium supérieure à 25%, et il est relativement stable au-dessus de cette valeur. 

Effet de la dimension de la couche fonctionnelle sur les performances du capteur

Les dimensions de la grille ou de la couche fonctionnelle sont des facteurs très importants pour un fonctionnement optimal du capteur. Afin d’évaluer la performance du capteur pour différentes conceptions de grille, la sensibilité et le ∆f du capteur ont été simulés pour Sensibilité (a.u.)  différentes longueurs (Lg) et largeurs (Wg) de la grille. Les résultats sont représentés graphiquement sur la figure 2.10. Figure 2.10 : Effet des dimensions de la couche fonctionnelle sur la sensibilité du capteur A partir de ces résultats, nous constatons que la sensibilité est inversement proportionnelle au rapport (Wg /Lg). La sensibilité diminue pour une diminution de la longueur de la grille ou une augmentation de la largeur de la grille. Pour des grilles très courtes, une plus forte proportion des porteurs de charges 2-DEG sont au-dessus du champ électrique critique, et leur vitesse est saturée. Cette situation entraîne une augmentation du courant sur toute la longueur du canal. Etant donné que le courant initial est augmenté, la variation relative du courant lors de l’exposition du capteur au gaz est diminuée, ce qui entraîne la diminution observée de la sensibilité et de l’augmentation de (∆f). En revanche, les performances des capteurs augmentent avec la diminution de la longueur de la grille. En outre, une longue distance entre la source et le drain augmente la probabilité que les électrons soient piégés par des pièges des charges dans la couche tampon, ce qui affecte la stabilité du capteur. D’un autre côté, l’épaisseur de la couche fonctionnelle a un grand effet sur les performances du capteur, surtout en termes de sélectivité. Nous allons l’aborder dans le chapitre 4. Il est évident que la morphologie et l’épaisseur de la grille affectent directement les mécanismes de détection de gaz. Ce phénomène a été rapporté pour les NO2, NO et NH3 en utilisant des dispositifs à base de Schottky [128, 133]. Il a été démontré que le NH3 peut être détecté pour une grille de Pt d’une épaisseur de 10-20nm [71,76,77], tandis que la sensibilité au NO semble être perdue à une épaisseur d’au moins 75 nm [75]. Ceci est probablement dû au fait que le NO nécessite la présence de trous pour atteindre la surface AlGaN (une couche poreuse de Pt). Sensibilité (a.u.) 

Effet de la polarisation de la couche fonctionnelle sur les performances des capteurs

Dans le cas d’un transistor HEMT, le contrôle de la densité des charges dans le canal se fait par la polarisation de la grille. Il est également possible, dans le cas d’un capteur de gaz, d’appliquer une polarisation supplémentaire sur la couche fonctionnelle, afin de régler les caractéristiques du capteur en temps réel. La figure 2.11 présente l’effet de la polarisation de la couche fonctionnelle sur la sensibilité du capteur. La modulation de la polarisation de la grille permet une grande plage de réglage de la sensibilité et des limites de détection. Une autre considération, lors de l’application d’une polarisation sur la grille, est de savoir comment cela affectera les mécanismes chimiques en ce qui concerne l’adsorption de gaz, la dissociation et la diffusion sur la zone de détection catalytique. Cette polarisation peut aussi chauffer localement la grille, qui peut également affecter le mécanisme de détection, suite à l’activation des pièges d’interface, ou de favoriser certaines réactions chimiques. Le delta I est presque optimal autour d’une polarisation de la grille de 0V. Nous choisissons de l’utiliser comme un point de référence dans nos premières mesures d’exploitation. La sensibilité peut être ajustée en changeant la polarisation.