Les transistors à effet de champ pour les applications hyperfréquences

Diagramme de bandes d’énergie

Structure de bande

Les bandes d’énergie donnent les états d’énergie possibles pour les électrons et les trous en fonction de leur vecteur d’onde. Elles se décomposent en bandes de valence et bandes de conduction (figure I.2) [5]. Nous les représentons dans l’espace réciproque pour simplifier suivant des directions de plus hautes symétries. La densité d’états est représentée au centre de la première zone de Brillouin. L’allure générale des bandes est la même pour tous les composés III-N considérés. La structure de bandes est directe, c’est-à-dire que le maximum de la bande de valence et le minimum de la bande de conduction sont situés au centre de la zone de Brillouin (k = 0). Le minimum central de la bande de conduction correspond à des électrons ayant une faible masse effective, donc très mobiles. II existe par ailleurs des minimas secondaires en bordure de la zone de Brillouin dans la direction L-M et K, ces minimas sont beaucoup plus plats. Les électrons y ont une masse effective plus grande et donc une plus faible mobilité. Les principales propriétés physiques des deux composés binaires c’est-à-dire le nitrure d’aluminium (w-AlN) et le nitrure de gallium (w-GaN), sont regroupés dans le tableau I-1 et comparées à celles du silicium(Si), du carbure de silicium (4H-SiC) et de l’arséniure de gallium (GaAs).

Les matériaux AlN et GaN sont donc des matériaux très prometteurs compte tenu de leurs excellentes propriétés, adéquates pour les applications de télécommunications. À titre indicatif, il semble intéressant de comparer les propriétés électriques de cette famille de matériaux III-N avec celles de la filière GaAs, qui constitue à l’heure actuelle, celle qui est la plus utilisée par les fonderies compte tenu de sa maturité pour le développement de composants et circuits de puissance hyperfréquence (tableau I.1). Il ressort de ces indications que les éléments nitrurés de par leurs gaps importants leurs conductivités thermiques satisfaisantes et leurs champs de claquages élevés, présentent de nombreux avantages pour ce type d’applications. Associées à une vitesse de saturation des porteurs deux fois supérieure à celle du GaAs, leurs potentialités en font des candidats de choix pour les applications de puissance hyperfréquence.

Effets de polarisation dans le cristal

L’une des spécificités des composés d’éléments III-N, comparés aux autres composés III-V tels que l’arséniure (GaAs par exemple), est l’existence d’une polarisation spontanée et d’une polarisation piézoélectrique [7]. M. Asif Khan et al. [8] ont été les premiers à mettre à profit cette propriété pour réaliser le premier transistor AlGaN/GaN en 1993. Aussi, O. Ambacher et al. [9] ont expliqué quantitativement les effets induits par les polarisations spontanée et piézoélectrique dans une hétérostructure AlGaN/GaN (dopée ou non-dopée).

Polarisation spontanée

Dans une structure cristalline GaN de type wurtzite, les électrons de la bande de valence sont plus attirés par l’azote que par le gallium à cause de sa forte électronégativité, on peut constater en considérant la figure I.3. Cette attraction entraîne la déformation de la structure tétraédrique et le rapport des paramètres de maille (c/a) devient plus faible que la valeur attendue (c/a = 1,633). La non-concordance des barycentres des charges positives et négatives entraîne donc la création d’une polarisation appelée polarisation spontanée. On sait que l’AlxGa1-xN avec une polarité Gallium possède un désaccord de maille avec le GaN. Il s’avère que la maille du nitrure de gallium est plus importante que celle de l’AlxGa1-xN quelque-soit x supérieur à 0. Le matériau ternaire est donc contraint en tension ce qui, par conséquent, impose le fait que les polarisations spontanée et piézoélectrique de l’AlxGa1-xN sont toutes les deux orientées vers le bas. Quand au désaccord de maille entre le GaN (situé juste en dessous du 2DEG) et le buffer en Nitrure d’aluminium (AlN), il est de nature différente. En effet, l’AlN possède une maille moins grande que le nitrure de gallium, le GaN (face Ga) subit donc une contrainte en compression. C’est pour cela que la polarisation piézoélectrique qui l’habite est orientée vers le haut du transistor comme nous le montre la figure II.3 du composant entier.

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Table des matières

Introduction générale
I-1 Introduction
I-2 Principales propriétés des matériaux III-N
I-2-1 Structure cristalline
I-2-2 Structure de bande
I-2-3 Effets de polarisation dans le cristal
I-2-3-1 Polarisation spontanée
I-2-3-2 Polarisation piézoélectrique
I-3 Les transistors à effet de champ pour les applications hyperfréquences
I-3-1 Généralités
I-3-2 Le MESFET
I-3-3 Le HEMT
I-3-3-1 Historique du transistor HEMT
I-3-3-2 Principe de fonctionnement d’un transistor HEMT classique
I-3-3-3 Les différentes couches d’un transistor HEMT AlGaAs/GaAs classique
I-3-3-4 Origine du fonctionnement d’un transistor HEMT AlGaAs/GaAs
I-3-3-5 Les limitations de la technologie à base d’Arséniure de Gallium appliquée à la fabrication de transistor HEMT
I-3-4 Le Transistor HEMT en technologie GaN
I-3-4-1 Définition de la structure par couche du transistor HEMT GaN
I-3-4-2 Diagramme des bandes de la structure HEMT GaN et son fonctionnement
I-3-4-3 Etat de l’art du transistor HEMT en GaN d’après l’ITRS
I-4 Conclusion
CHAPITRE II : Modélisation physico-thermique du HEMT GaN
CHAPITRE III : Résultats et interprétations
II-1 Introduction
II-2 Polarisation dans les HEMTs AlGaN/GaN
II-2-1 Polarisation piézoélectrique
II-2-2 Polarisation spontanée
II-3 Détermination de la quantité de charge à l’interface AlGaN/GaN
II-4 Détermination de la quantité de charge à l’interface AlGaN/GaN en GaN contraint en tension
II-5 Modèle physico-thermique du HEMT
II-5-1 Modèle physico-électrique du HEMT
II-5-2 Modèle thermique du HEMT
II-6 Résolution numérique par la méthode des éléments finis
II-6-1 Couplage physico-thermique
II-6-2 Paramètres d’entrée du modèle numérique
II-6-3 Configuration de la densité de charges qui constitue le 2DEG
II-6-4 Définition de la mobilité en fort champ
II-7 Conclusion
CHAPITRE III : Résultats et interprétations
III-1 Introduction
III-2 Description du logiciel SILVACO
III-3 Topologie de la structure étudiée
III-3-1 Maillage
III-3-2 Diagramme de bandes d’énergie
III-4 Résultats et interprétations
III-4-1 Résultats statiques
III-4-1-1 Caractéristiques de sortie Ids-Vds
III-4-1-2 Caractéristiques de transfert Ids-Vgs
III-4-2 Effet des paramètres géométriques sur les caractéristiques du HEMT en GaN
III-4-2-1 Effet de la longueur de la grille
III-4-2-2 Effet de l’épaisseur de la couche barrière
III-4-2-3 Impact de l’épaisseur de substrat
III-4-2-4 Impact du matériau de substrat
III-4-3 Distribution des grandeurs électriques dans le HEMT AlGaN/GaN/4H-SiC
III-4-3-1 Carte du potentiel .
III-4-3-2 Carte de concentration en électron
III-4-4-3 Carte de la température de réseau
III-5 Conclusion
Conclusion générale
Références bibliographiques
Annexe A