Méthode de haute fréquence (méthode de Terman)

Mémoire de projet de fin d’étude master sciences et techniques électronique, signaux et systèmes automatisés

NITRURE DE GALIUM

Le nitrure de gallium est un matériau semi-conducteur composé, de la famille IIIV, les éléments qui le composent sont : le Gallium (Ga) et l’azote (N) appartiennent à la 3éme (Ga) et à la 5éme(N) colonne de la classification périodique de Mendeleïev. Du fait de sa large bande interdite il a un champ de claquage très élevé d’ordre de 3MV.cm-1 permet l’utilisation de ce matériau pour la réalisation de dispositifs optoélectroniques de haute efficacité tels que les lasers.

Les propriétés électriques du GaN

a- Structure cristalline Le nitrure de gallium (GaN) cristallise sous deux formes différentes à la température ambiante : la structure hexagonale ou würtzite et la structure cubique (dite Zinc Blende). La structure de type würtzite ou hexagonale (h-GaN) : c’est une structure thermodynamiquement très stable, constituée par deux sous-réseaux hexagonaux compacts, l’un contenant les atomes de gallium (Ga) et l’autre les atomes d’azote (N) .La structure de type blende de zinc ou cubique (c-GaN) : thermodynamiquement métastable, est constituée de deux sous-réseaux cubiques à faces centrées d’atomes de gallium et d’azote décalés d’un quart par rapport à la diagonale de la maille :

b- Structure de bande Par définition, la bande interdite représente l’énergie nécessaire à un électron pour passer de la bande de valence à la bande de conduction. La largeur de bande interdite varie avec la température suivant la formule décrite par Varshni :
?? = ??(0) −??2 ?+?
α et β sont des constantes, elles sont respectivement de l’ordre de 1 meV/K et de 1000 K respectivement pour GaN de type würtzite [4]. c- Densité de porteurs intrinsèques Du fait de sa large bande interdite, les densités intrinsèques des porteurs dans le GaN sont très faibles, de l’ordre de 2.10-10 cm-3 à 300K [5]. La densité de porteurs intrinsèques dans le GaN wurtzite (hexagonal) varie en fonction de la température comme suit [2]. ?? = ( ??.??)1 2 ⁄ exp(??? 2?? ) (1.2) Avec T la température et Eg la bande interdite de GaN d- Mobilité des électrons et des trous La mobilité des électrons du GaN du type N atteint son maximum 950 cm2V-1s-1 pour une température 150K. À température ambiante (300K) la mobilité des électrons vaut 568 cm2.V-1.s-1. La mobilité des trous dans le GaN atteint son maximum (500 cm2.V-1.s-1) pour une température d’environ 250K [2]. e- Champs de claquage Comme pour tous les matériaux à large bande interdite, le champ de claquage du GaN est très élevé. On l’estime à environ 3.3 MV.cm-1. Cette valeur est comparable à celle qui est obtenue avec les SiC et à peu près 10 fois supérieures à celle du GaAs ou du Si [5].

Propriété thermique du GaN

a- Conductivité thermique La conductivité thermique d’un matériau est la propriété cinétique déterminée par les contributions des degrés de liberté électronique, rotationnelle et vibrationnel des molécules [5]. La conductivité thermique du GaN est de 1,3 W K-1 cm-1 [6], Cette valeur est très proche de celle du Si et elle est trois fois supérieure à celle du GaAs ou du saphir. Cette propriété est capitale pour des applications où une forte dissipation thermique est nécessaire. C’est le cas en particulier des dispositifs de puissances hyperfréquence où la température dans le canal peut atteindre 400°C [2]. Une bonne évacuation de la chaleur est donc nécessaire.

b- Coefficient de dilatation thermique Lorsque la température d’un solide augmente, les distances interatomiques, et par suite la densité du solide se modifient sous l’effet des vibrations. Les coefficients de dilatation thermique du GaN varient entre 4,3 10–6 à 300K et 5,6 10–6 K–1 à 1000K dans la direction a, et de 3,2 10–6 à 4,6 10–6 K–1 dans la direction c. [2].

Les avantages et les domaines d’application associée du GaN

La technologie GaN bénéficie d’une combinaison remarquable des caractéristiques des matériaux à large bande interdite qui la prédestine naturellement à des applications de forte puissance :  un champ de claquage élevé associé à un faible taux d’ionisation par impact, permet d’obtenir des puissances de sortie élevées (8 fois supérieur aux technologies III-V GaAs).  la forte conductivité thermique du GaN, 1.3 WK-1cm-1 contre 0.5 WK-1cm-1 pour le GaAs et de certains substrats comme le diamant > 9 WK-1cm-1 est avantageuse pour l’évacuation des calories.  la forte bande interdite rend les dispositifs plus immunes aux agressions de type électromagnétiques.  des vitesses de saturation relativement importantes (3.107 cm/s) favorisent les applications à haute fréquence.

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Table des matières

Résumé
Abstract
Liste des acronymes
Liste des figures
Liste des tableaux
Table de matière
Introduction
Chapitre 1 : Généralité de la Nitrure de Gallium
I- Introduction
II- Nitrure de Gallium
1- Définition
2- Les propriétés électriques du GaN
3- Propriété thermique du GaN
4- Les avantages et les domaines d’application associée du GaN
III- L’isolant SiO2
1- Propriété électrique de l’isolant SiO2
2- Différents types de charges dans l’oxyde
IV- Conclusion .
Chapitre 2 : Structure Métal/Isolant/Semi-conducteur (MIS)
I- Introduction
II- Concepts de base
1- Diagramme de bande
2- Contact ohmique : Contact SCHOTTKY
III- Structure Métal/isolant/semi-conducteur (MIS) idéale
1- Définition
2- Régime d’équilibre thermodynamique
3- Régime d’accumulation
4- Régime de déplétion.
5- Régime de forte inversion
6- Modélisation
7- Résume
IV- Capacité de la structure
1- Capacité de semi-conducteur
2- Capacité de l’isolant
3- Capacité total
4- Caractéristique C-V théorique pour une structure MIS
V- Structure MIS réelle
1- Définition
VI- Méthode de Terman
1- Introduction
2- Propriété des états d’interface
3- Effet des états d’interface sur la courbe C-V
4- Capacité d’états d’interface
5- Méthode de haute fréquence (méthode de Terman)
VII- Conclusion
Chapitre3 : Résultats expérimentaux et analyse
I- Introduction
II- Résultats de la capacité-tension pour 1MHz
1- Caractéristique capacité-tension C(VG)
2- Caractéristique VS(VG)
3- Densité d’état d’interface pour 1MHz
III- Comparaison des résultats pour différence fréquence
1- Caractéristique capacité tension C(VG)
2- Densité d’état d’interface
3- Comparaison des résultats
IV- Conclusion
Conclusion générale
Référence bibliographique

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