Diagramme de bandes d’énergie

Diagramme de bandes d’énergie

Principales propriétés des matériaux III-N:

Les matériaux semi-conducteurs III-N sont des bons candidats pour la fabrication de transistors HEMTs. Les matériaux semi-conducteurs III-N présentent plusieurs avantages tels que le large bande interdite, une grande stabilité chimique [1], des propriétés mécaniques exceptionnelles ainsi que d’autres propriétés physiques remarquables. Ces semi-conducteurs possèdent les qualités indispensables pour fabriquer des composants de puissance.

Structure cristalline:

Le nitrure de gallium cristallise sous deux formes différentes intéressantes pour la microélectronique, mais également pour l’optoélectronique. La première forme cristalline correspond à la structure hexagonale (structure wurtzite) [2]. La seconde est la forme cubique (structure zinc-blende) [3]. Nous nous intéresserons principalement à la structure wurtzite qui reste la plus stable et donc la plus utilisable. La structure wurtzite a une maille élémentaire hexagonale de paramètres de maille a = 0,3188 nm et c = 0,5185 nm [2] à température ambiante (figure I.1). La maille élémentaire contient six atomes de chaque type. Elle est composée de deux sous réseaux hexagonaux imbriqués l’un dans l’autre, où chaque type d’atome est décalé suivant l’axe c de 62 % de la maille élémentaire.

Propriétés optique du GaN:

Comme attendu de la part d’un matériau à gap direct, le coefficient d’absorption se trouve être élevé, atteignant 8.104 cm-1 pour des énergies juste supérieures à celle du gap. L’indice optique du GaN a également pu être mesuré : Il vaut 2.45 pour des énergies incidentes se situe au niveau du gap. Cet indice se trouve être inférieur à celui du GaAs. Cette particularité du GaN, comparativement à d’autres matériaux, définit un coefficient de réflexion à l’interface air /matériau relativement faible ; ceci engendre des propriétés intéressantes [8].

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 [9]. M. Asif Khan et al [10] ont été les premiers à mettre à profit cette propriété pour réaliser le premier transistor AlGaN/GaN en 1993. Aussi, O. Am bâcher et [10] Ont expliqué quantitativement les effets induits par les polarisations spontanée et piézoélectrique dans une hétéro structure 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.4. 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.

Evolution du transistor à effet de champ:

Le transistor à effet de champ dénommé FET (Field Effect Transistors) ou TEC a été inventé à la fin des années 1920 par J. E. Lilenfeld [12], mais n’a put être réalisé avant la fin des années 1950, celui-ci repose sur le fonctionnement d’un dispositif semiconducteur unipolaire c’est-à-dire qu’il y a un seul type de porteur qui intervient dans le fonctionnement du composant.
Donc pour une utilisation aux hautes fréquences, il est préférable que le type de porteur soit celui qui présente les meilleures propriétés de transport (mobilité, vitesse et coefficient de diffusion), les électrons ayant des propriétés plus intéressantes que les trous. Les FET sont essentiellement élabores sur des matériaux de type N. Les divers types de transistors à effet de champ diffèrent par la nature du contact de grille élaboré, dont nous citons.

J-FET : gille à jonction PN.
MOSFET : grille métallique isolée de la couche active par un oxyde.
MESFET : grille métallique Schottky.
HEMT : grille métallique Schottky.

Transistor MOSFET:

Structure etprincipe de fonctionnement:
La figure I.9 représente la structure technologique du transistor MOS (Métal Oxyde Semiconducteur) standard, il est constitué d’un substrat semi-conducteur sur lequel repose une fine couche d’oxyde isolant (SiO2). Une couche conductrice métal ou polysilicium fortement dopée), appelée électrode de grille, est aussi déposée sur l’oxyde. Deux régions fortement dopées appelées source et drain, sont formées dans le substrat de part et d’autre de la grille .
La zone active du transistor MOSFET est la région semi-conductrice (substrat) située entre la source et le drain prés de l’interface oxyde-semi-conducteur.
Le transistor MOS (pour Metal-Oxyde-Semi-conducteur) à effet de champ ou transistor MOSFET (Field Effect Transistor) est le composant phare de la technologie CMOS. Il atteint aujourd’hui des dimensions nanométriques. Les premiers travaux sur le concept du transistor MOS datent de l’année 1930. Le principe de fonctionnement du MOSFET repose sur la modulation de la densité de porteurs d’une couche semi-conductrice par un champ électrique qui lui est appliqué perpendiculairement par l’électrode de commande de grille à travers un isolant (diélectrique de grille). Les porteurs créés sont des charges mobiles : électrons dans le cas d’un transistor NMOS, trous dans le cas d’un transistor PMOS. La hauteur de la barrière de potentiel qui règne dans le canal de conduction entre le drain et la source est contrôlée par la tension appliquée sur le contact de grille. Lorsque la hauteur est suffisamment élevée, les porteurs ne pouvant pas passer de la source au drain et le transistor est bloqué. Lorsque cette hauteur est basse, un canal à l’interface semi-conducteur isolant se forme, le transistor est passant. Le passage des porteurs de la source vers le drain est assuré par une tension appliquée sur le drain c’est-à-dire un champ électrique latéral qui draine les porteurs de la source vers le drain.

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Table des matières

Tables des matières
Listes des figures
Listes des tableaux
Introduction générale
Chapitre I: Matériaux III-N et évolution du HEMT vers une structure à base de GaN
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 Propriétés thermiques du GaN
I.2.4 Propriétés optique du GaN
I-2-5 Effets de polarisation dans le cristal
I-2-5-1 Polarisation spontanée
I-2-5-2 Polarisation piézoélectrique
I-2-5-3 La polarisation résultante
I-3 L’hétérojonction AlGaN/GaN
I-3-1 Principe physique de base
I-4 Evolution du transistor à effet de champ
I-4-1 Transistor MOSFET
I-4-1-2 Exemples d’applications du MOSFET
I-4-2 Le HEMT: HIGHT ELECTRON MOBILITY TRANSISTOR
I-4-2-1 Historique du transistor HEMT
I-4-2-2 Les limitations de la technologie à base d’Arséniure de Gallium appliqués à la fabrication de transistor HEMT
I-4-2-3 Le Transistor HEMT en technologie GaN
I-4-2-4 Définition de la structure par couche du transistor HEMT GaN
I-4-2-5 Etat de l’art du transistor HEMT en GaN d’après l’ITRS
I-4-3 Transistor MOS-HEMT
I-4-3-1 Topologie de la structure étudiée
I-5 Conclusion
Chapitre II : Etude et modélisation physico-thermique du MOS-HEMT en GaN
II-1 Introduction
II-2 Présentation du MOS-HEMT en GaN et principe de fonctionnement [39]
II-2-1 Définition de la structure par couche du transistor MOS-HEMT GaN
II-2-2 Rappels de base sur le fonctionnement du MOSFET
II-2-3 Polarisation dans les HEMT AlGaN/GaN
II-2-3-1 Polarisation piézoélectrique
II-2-3-2 Polarisation spontanée
II-3 Détermination de la qualité de charge a l’interface AlGaN/GaN
II-4 Détermination de la quantité de charge a l’interface AlGaN/GaN en GaN contraint en tension
II-5 Modèle physico-thermique du Mos-HEMT
II-5-1 Modèle physico-électrique du MOS-HEMT
II-5-2 Modèle thermique du MOS-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 interprétation
III-4-1 Résultats statiques
III-4-1-1 Caractéristiques de sortie Ids-Vds
III-4-1-2 Caratéristiques de tansfert Ids-Vgs
III-4-1-3 Effet de l’épaisseur d’oxyde
III-4-1-4 Impact du substrat
III-4-1-5 Effet de la température du socle
III-4-2 Distribution des grandeurs électriques dans Sio2/AlGaN/GaN/saphir
III-4-2-1 Carte du potentiel
III-4-2-2 Carte de la température de réseau
III-5 Cconclusion
Conclusion générale
Annexe
A-1 Type d’information qui circulent en entée et en sortie d’atlas
A-2 Commandes dans script du programme ATLAS
A-2-1 Spécification de la structure
A-2-2 Spécification des modèles physiques
A-2-3 Sélection de la méthode numérique
A-2-4 Spésification des solutions
A-2-5 Analyse des résultats
Bibliographie