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Etudes des composés ternaires (InGaN et AlGaN)
Etude des composés Ternaires III-N
Les composés ternaires InGaN et AlGaN
Le nitrure de gallium-indium
Description du nitrure de gallium-indium
Le nitrure de gallium-indium est un alliage entre le nitrure de gallium (GaN) et le nitrure d’indium (InN). Le nitrure de gallium (GaN) fut synthétisé pour la première fois par Johnson et al. [1] en 1932 ; puis Juza et Hahn [2] déterminèrent la structure cristalline comme étant la wurtzite dans les conditions normales de température et de pression, en 1938. GaN fut beaucoup étudié dans les années 80 et 90 grâce à ses applications pour les diodes électroluminescentes (LED) et les détecteurs dans l’UV [3,4]. Le nitrure d’indium (InN) a eu une histoire plus tumultueuse. Le premier échantillon d’InN fut synthétisé en 1972 en utilisant un procédé de pulvérisation radiofréquence [5]. Cependant, la plupart des couches produites étaient polycristallines et présentaient une grande concentration d’électrons libres (>1019 cm-3 ) et une contamination significative par l’oxygène.
Le nitrure de gallium-indium (InGaN) fut déposé pour la première fois en 1972 [6] par la technique de plasma à rayons d’électrons sur deux types de substrats, saphir et quartz. Cependant, les couches produites étaient polycristallines et le gap d’énergie de l’InN fut mesuré à 1,95 eV laissant supposer que le matériau produit n’était pas de très bonne qualité. Par la suite, en 2002, Wu et al. [7] présentèrent des films de haute qualité cristalline et un gap pour l’InN à 0,77 eV. Ils déterminèrent alors la courbure de bande du gap de l’InGaN comme étant 1,43 eV. La croissance de l’InGaN étant maitrisée dans les années 2000, la fabrication de composants à base de cet alliage va devenir un thème de recherche important. Aujourd’hui, les efforts de recherche se focalisent principalement sur la différence de paramètres de maille entre le matériau et le substrat, le dopage de type p, la ségrégation de phases dans les couches et les états de surfaces.
Propriétés du composé ternaire InxGa1-xN [42]
Cette importance justifie la recherche d’une compréhension approfondie de la majeure partie de ses propriétés. Malheureusement, il ya encore beaucoup de désaccords sur les paramètres fondamentaux comme le bowing de l’énergie de gap.
Formules de Vegard et Phillips
Certaines propriétés (Y) comme le paramètre de maille, la polarisation et les constantes piézoélectriques peuvent être déduites par interpolation linéaire suivant la loi de Vegard .
Variation du gap d’InxGa1-xN, en fonction de la fraction de mole x (In)
Pour l’énergie de bande interdite, l’équation (2.1) ne convient pas, il faut utiliser la relation quadratique (2.2) de J.C. Phillips. Où b est le paramètre de courbure (bowing parameter). En remplaçant Eg(InN) et Eg(GaN) par leurs valeurs à 300K, et en prenant b = 1, nous trouvons les équations qui donnent le gap d’InxGa1-xN en fonction de x [8]. L’énergie du gap diminue, et le sommet de la bande de valence au point Γ se décale vers le haut, quand la composition d’indium augmente.
Bowing
Le comportement exceptionnel du gap de cet alliage reste une issue à controverses. Le paramètre b mesuré, varie de 1 à 5eV [9] ; cette variation serait due partiellement à la qualité des films d’alliages étudiés. Il y’a aussi des difficultés expérimentales rapportées à la méthode utilisée pour mesurer le gap optique. Les incertitudes sont en partie une conséquence du fait que la plupart des études expérimentales ont été portées sur des échantillons où la concentration d’In était assez petite (x≤0.25) [10]. Les premières études suggèrent un bowing entre 0 et 1.0 eV [11]. D’autres recherches plus récentes prévoient b = 1eV pour InGaN cubique [12], alors qu’on s’attendait à la même valeur pour les deux structures. Beaucoup d’études soient compatibles avec un bowing égal à 1eV pour l’alliage InGaN.
Stabilité et solubilité [13]
L’obtention d’un alliage ternaire (InGaN) à partir des deux composés binaires GaN et InN ayant des énergies et des longueurs de liaison différentes, n’est pas chose facile. Pour certaines valeurs de x, des problèmes de miscibilité se posent et dès lors, il y a ségrégation pour minimiser l’énergie totale. A une température de croissance de 800°C, Ho [14] a trouvé théoriquement une miscibilité de 6% de l’indium dans GaN. En diminuant la température, on augmente la miscibilité mais au détriment de la cristallinité [15]. La température critique (température à partir de laquelle tous les composés sont stables) est atteinte pour une composition en In de 0.39, et vaut 1417°C [16] ; alors qu’à partir de 500°C, des gouttelettes métalliques d’indium se forment en surface. Ces études montrent donc qu’à température ambiante (de même qu’aux températures habituelles de croissance), presque tous les composés d’InxGa1-xN sont instables, or la croissance d’InGaN pauvre en indium (xIn<0,3) est réalisée facilement de nos jours.
Dopage
Le dopage est une technique qui permet d’augmenter la quantité de trous ou d’électrons d’un matériau en substituant une très faible quantité de ses atomes par des atomes d’une autre nature. Si on ajoute des atomes possédant un ou plusieurs électrons de moins (un ou plusieurs trous de plus), on parle de dopage de type P. Dans ce cas, on favorise la conduction du courant par les trous. Inversement ; si on ajoute des atomes ayant un ou plusieurs électrons de plus, on parle de dopage de type N. Dans ce cas, la conduction électrique se fera principalement par les électrons.
La « mise en contact » d’un matériau de type N avec un matériau de type P va provoquer un déplacement de charge afin de retrouver l’équilibre électrique créant ainsi un champ interne. Ce type de dispositif est appelé une jonction PN et à la base de quasiment tous les composants électroniques (transistors, LEDs, cellule solaire, etc.). Il est donc important d’avoir de bons dopages type N et P afin d’obtenir des composants efficaces. Lorsque les nitrures sont fabriqués par la méthode de dépôt chimique en phase vapeur (CVD), la technique de dopage la plus utilisée est l’introduction de dopant directement dans la chambre de croissance sous forme de gaz. L’implantation ionique est également une technique de dopage intéressante parce qu’elle permet un contrôle précis du profil de dopage. Cependant, elle doit être suivie d’un recuit nécessaire à l’activation des dopants et à la réduction du désordre induit par l’implantation.
Les nitrures sont intrinsèquement de type N avec l’énergie de stabilisation du niveau de Fermi, EFS, dans la partie haute du gap d’énergie du GaN ou dans la bande de conduction de l’InN. Ceci conduit à une différence d’efficacité du dopage N relativement facile à obtenir, et du dopage P plus compliqué à atteindre. Nous allons commencer par la description du dopage N dans les nitrures, puis nous verrons le dopage P dans la seconde partie.
Dopage de type n
Les nitrures sont intrinsèquement de type N, avec un excès d’électrons. L’augmentation du caractère N des nitrures est donc relativement facile. On utilise le plus couramment le silicium, Si, comme dopant de type N. Le silicium occupe le site d’un cation (Ga ou In) et un donneur simple. Sa concentration dans les couches de nitrure est typiquement de l’ordre de 1018 cm-3 , comme le montre la Figure (2.2). La résistivité des couches a été mesurée entre 1-10-2 Ω dans le GaN [18]. La Figure (2.3) présente la mobilité des porteurs en fonction de la concentration d’électrons à température ambiante dans le GaN. Cette mobilité diminue avec l’augmentation de la concentration d’électrons et donc du dopage, à cause du phénomène de dispersion des porteurs par les atomes de Si ionisés qui augmente avec la concentration de dopants.
Pour de forts dopages, on observe un effet de saturation de la concentration d’électrons avec l’augmentation de la concentration de dopants. Cet effet s’explique par l’apparition de lacunes de gallium triplement ionisées, compensant le dopage N [19]. D’autres dopants ont également été étudiés comme l’oxygène, l’hydrogène [20] ou le germanium [21]. Cependant, ils restent moins efficaces que le Si parce qu’ils créent une plus grande densité de défauts qui compense d’autant plus le dopage.
Dopage de type P
Puisque les nitrures sont intrinsèquement de type N, il est difficile d’obtenir un dopage P [19]. En effet, il faut dans un premier temps compenser les électrons en excès présents dans le matériau, avant de créer un excès de trous. Le problème majoritairement rencontré est la création de défauts de compensation lors du dopage, c’est-à-dire que pour un dopant de type P introduit dans le réseau, un défaut possédant un caractère N se créé à proximité annulant l’effet du premier. Ce phénomène est dû à l’énergie de stabilisation du niveau de Fermi proche de la bande de conduction dans GaN et à l’intérieur de la bande de conduction dans InN (figure (2.11) Energie de stabilisation du niveau de Fermi). Aujourd’hui, le magnésium (Mg) est le dopant le plus fréquemment utilisé pour les nitrures [19]. Le dopage de type P a été démontré pour la première fois en 1989 par Amano et al. [22], en irradiant du GaN dopé avec du Mg avec un faisceau d’électrons à basse énergie (LEEBI) pour activer les dopants de type accepteur. Ensuite, Nakamura et al. [23] montrèrent qu’un recuit thermique à 800°C dans une atmosphère sans hydrogène, d’une couche de GaN dopé Mg, produit également un dopage de type P. Ces traitements post-croissance sont nécessaires car GaN dopé Mg fabriqué par déposition chimique en phase vapeur par métalorganiques (MOCVD) est semi isolant.
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Table des matières
Table des matières
Liste des figures
Liste des tableaux
Introduction générale
Chapitre1 : Etude des composés binaires III-N
1. Les composés binaires nitrurés
1.1 Introduction
1.2 Propriétés des nitrures
1.3 Effet de la température sur la mobilité des porteurs libres
1.4 Effet de la concentration d’électrons sur la mobilité des porteurs libres
1.5 Techniques d’élaboration des nitrures
1.5.1 Epitaxie en phase vapeur à partir d’hydrure (EPVH)
1.5.2 Epitaxie par jets moléculaires (EJM)
1.5.3 Epitaxie en Phase Vapeur Organométalliques (EPVOM
1.5.4 Croissance par reprise d’épitaxie latérale (ELO)
1.6 Conclusion
1.7 Bibliographie
Chapitre 2 : Etudes des composés ternaires (InGaN et AlGaN)
2. Les composés ternaires InGaN et AlGaN
2.1 Le nitrure de gallium-indium (InGaN)
2.3 Caractère intrinsèque de type n dans les nitrures
2.3.1 Energie de stabilisation du niveau de Fermi
2.3.2 Concentration d’électrons dans les nitrures
2.4 Longueur de diffusion
2.5 Mécanisme de recombinaison
2.5.1 Recombinaisons Shockley-Read-Hall
2.5.2 Recombinaisons radiatives
2.5.3 Recombinaisons Auger
2.6 Etude des propriétés optiques d’AlGaN et d’InGaN
2.6.1 Vitesse de saturation dans AlxGa1-xN et InxGa1-xN, en fonction de x
2.6.1.1 Vitesse de saturation des électrons dans AlxGa1-xN
2.6.1.2 Vitesse de saturation des électrons dans InxGa1-xN
2.6.2 Mobilité des électrons dans AlxGa1-xN et InxGa1-xN, en fonction de x
2.6.2.1 Mobilité des électrons dans Alx Ga1-x N, en fonction de x
2.6.2.2 Mobilité des électrons dans InxGa1-xN, en fonction de x
2.7 Elaboration des alliages ternaires
2.7.1 Nitrure de gallium-indium (InGaN)
2.7.1.1 Incorporation d’In dans GaN
2.7.1.2 Croissance de l’InGaN
2.7.2 Nitrure de gallium-aluminium (AlGaN)
2.7.2.1 Principe d’élaboration
2.7.2.2 Incorporation d’Al dans GaN
2.7.2.3 Incorporation de Ga dans AlN
2.7.2.4 Croissance des ternaires AlxGa1-xN
2.7.2.4.1 Difficultés spécifiques
2.8 Conclusion
2.9 Bibliographie
Chapitre 3 : Transistor HEMT
3.1 Introduction
3.2 Etude d’une hétérojonction
3.4 Conclusion
3.5 Bibliographie
Chapitre 4 : Simulation d’un DH-FET à base d’InGaN 4 . Introduction
4.1 SILVACO
4.1.1 Présentation du paquet de programmes SILVACO
4.1.2 Présentation de l’outil ATLAS
4.1.3 Logique de programmation
4.2 Structure étudiée et paramètres physiques
4.2.1 Structure simulée
4.2.2 Le maillage
4.3 Caractéristiques électriques
4.3.1 Caractéristique de sortie Ids (Vds)
4.3.2 La tension de claquage
Variation de la longueur de grille
Variation de la distance grille-source (Lgs)
4.3.3 Caractéristique de transfert Ids (Vgs)
La tension de pincement
La transconductance
4.4 Influence des paramètres physiques du transistor DH-FET sur les caractéristiques
4.4.1 Influence du dopage de la couche donneuse
4.4.2 Influence du dopage de la couche active
4.4.3 Influence du dopage de la couche tampon
5.4 Influence des paramètres géométriques sur les caractéristiques
4.5.1 Influence de l’épaisseur de la couche donneuse
4.5.2 Influence de l’épaisseur de la couche active
4.5.3 Influence de l’épaisseur de la couche tampon
4.6 Etude dynamique
4.6.1 La fréquence de transition
4.6.2 La fréquence maximale d’oscillation
4.7 Comportement transitoire
4.7.1 Gate lag
4.7.2 Drain lag
4.8 conclusion
Références
Conclusion générale et perspectives
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