Mécanismes de défaillances

La plateforme de caractérisation propose un éventail de techniques complémentaires permettant l'analyse des défaillances et défauts par l'étude des propriétés optiques, électriques et de transport des matériaux à large bande interdites. 

DLTS

Les défauts localisés dans le réseau cristallin se comportent comme des centres piégeant les porteurs. La spectroscopie transitoire de niveaux profonds ou DLTS (Deep Level Transient Spectroscopy) est la technique la plus performante de détection de ces centres. Elle permet d’extraire d’une mesure d’un transitoire, l’énergie d’activation, la section efficace de capture ainsi que la concentration d’une population de pièges. Au sein de la plateforme, nous utilisons un système de mesure commercial Bio-Rad DL8000 permettant de réaliser de la C- (capacité), U- (tension), I- (courant) et Q- (charge) DLTS. 

** Caractéristiques du banc :

• Capacimètre : signal alternatif de 20 ou 100 mV à la fréquence de 1 MHz
• Gamme : 4 - 4000 pF (100 mV)
• Largeur de pulsation : 20 ns - 100 h (jusqu'à 10 µs possible en connectant un pulse generator)
• Période : 27 µs - 110 h
• Pompe à vide primaire jusqu'à 0,9 mbar
• Régulation en tempérture de 85 à 550 K via une pompe d'azote et une résistance chauffante
• Plage de tension applicable : +- 10 V (résolution : 0,30 mV), +- 20 V (0,61 mV), +- 40 V (1,22 mV) et +- 100 V (3 mV)

Effet Hall

La technique d’effet Hall est une méthode simple pour déterminer précisément et indépendamment la densité des porteurs et leur mobilité dans les semi-conducteurs.

Le LAAS est doté d’un banc de mesure d’effet Hall de marque ACCENT automatisé pour la caractérisation des semi-conducteurs massifs et est adapté au contrôle de qualité dans la recherche et développement. Des micromanipulateurs permettent d’effectuer des mesures sur des échantillons de faibles dimensions, de l’ordre de 500 μm² jusqu'à 2 cm². Il est équipé d’un aimant permanent et rotatif permettant d’appliquer un champ magnétique constant de plus ou moins 0,33 tesla. Equipé d’un cryostat, il permet des mesures soit de 20 à 300 K (cryostat Helium), soit de 90 à 550 K (cryostat azote).

Thermographie Infrarouge

Cette méthode de contrôle est non destructive sans contact. Elle permet de suivre l’évolution de la température lors des tests de défaillance et d’en déduire la température maximale dans la zone active. La variation de la température lors de cyclages ON/OFF rapides est un paramètre important à suivre, des oscillations très brusques pouvant activer des effets thermomécaniques indésirables.

Il s’agit donc d’un outil permettant un diagnostic rapide des défaillances par mesures locales et quantitatives des pertes thermiques associées. Il permet d’optimiser les paramètres géométriques en vue de minimiser l’impact thermique sur leur fiabilité.

Le banc concerné est équipé d’une caméra de type FLIR X6580sc qui a une cadence de défilement de 355 Hz maximum pour des images de 640 x 512 pixels. Il permet de caractériser :

• soit des composants discrets sous microscope avec une résolution spatiale de 5µm
• soit des circuits imprimés 15 centimètres de taille maximale. 

FTIR

La caractérisation FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy) est une technique d'analyse chimique non destructive basée sur l’absorption d’un rayonnement infrarouge par le matériau à analyser. Elle permet, par la détection de vibrations caractéristiques, l’analyse des liaisons chimiques présentes dans le matériau et l'identification notamment de complexe d'impureté. Lors de la mesure, un rayonnement est envoyé sur le matériau, une partie est absorbée, une autre transmise et une autre reflété. Le champ électromagnétique du rayonnement interagit avec les charges électriques de la molécule, entrainant une variation du moment dipolaire. Lorsque la fréquence du champ coïncide avec celle de vibration de la molécule, l’interaction créée excite la vibration de certaines liaisons et absorbe l’énergie de l’onde excitatrice. La fréquence à laquelle est absorbé le rayonnement correspond à une transition permise entre deux niveaux vibrationnels de la molécule, et dépend de la nature des liaisons, de la masse des atomes concernés et de l’environnement proche du groupement considéré. La spectroscopie d’absorption infrarouge peut exploiter deux interactions rayonnement-matière différentes : la transmission et la réflexion. 

** Caractéristique du banc :

Photoluminescence

La spectroscopie de micro-photoluminescence (µPL) continue est une technique d’analyse fine permettant de caractériser de façon non destructive les matériaux semi-conducteurs. Le principe consiste à exciter le matériau à l’aide d’un faisceau de photons d’énergie supérieure à celle de sa bande interdite E_g. Les photons absorbés génèrent des paires électron/trou qui se recombinent au moyen de différents processus faisant intervenir soit des photons, soit des phonons. Deux types d’émission de photoluminescence sont à distinguer :

- l’émission intrinsèque, proche de l’énergie de la bande interdite. Elle est associée à la recombinaison des électrons de la bande de conduction avec des trous de la bande de valence.

- l’émission extrinsèque, d’énergie inférieure au gap. Elle est associée à la présence d’impuretés ou de défauts. Elle permet de préciser la nature d’impuretés présentes, qu’elles soient introduites volontairement ou non lors de l’élaboration du matériau.

Les processus de recombinaisons non-radiatives étant en concurrence avec les processus radiatifs, ils limitent le flux de luinescence émise, afin de les réduire nous plaçons l'échatillon à l'intérieur d'un cryostat Helium à boucle fermée.

** Schéma simplifié d'un banc de PL :

** Caractéristiques des bancs :

Raman 

Le principe de la spectroscopie Raman repose sur l’étude des fréquences de vibration d’un réseau cristallin ou d’une molécule à travers l’analyse de la lumière diffusée dans un échantillon soumis à une onde monochromatique. Le gain ou la perte d'énergie des photons inélastiques émis par rapport aux photons incidents est traduit sur les spectres Raman par un déplacement en fréquence. Trois cas possibles :

- la diffusion Rayleigh, aucun échange d'énergie, les photons incidents et diffusés ont la même énergie

- la diffusion Raman avec décalage Stokes, la molécule absorbe de l'énergie et le photon diffusé est moins d'énergétique que le photon incident

- la diffusion Raman avec décalage anti-Stokes, la molécule perd de l'énergie et le photon diffusé est plus d'énergétique que le photon incident.

Plusieurs informations sur la structure cristalline du matériau peuvent être extraites d'un signal Raman :

** Caractéristiques du banc : 

Contacts

J. Roul, R. Monflier