Diagramme de bandes dโรฉnergie
Structure de bande
Les bandes d’รฉnergie donnent les รฉtats d’รฉnergie possibles pour les รฉlectrons et les trous en fonction de leur vecteur d’onde. Elles se dรฉcomposent en bandes de valence et bandes de conduction (figure I.2) [5]. Nous les reprรฉsentons dans l’espace rรฉciproque pour simplifier suivant des directions de plus hautes symรฉtries. La densitรฉ dโรฉtats est reprรฉsentรฉe au centre de la premiรจre zone de Brillouin. L’allure gรฉnรฉrale des bandes est la mรชme pour tous les composรฉs III-N considรฉrรฉs. La structure de bandes est directe, c’est-ร -dire que le maximum de la bande de valence et le minimum de la bande de conduction sont situรฉs au centre de la zone de Brillouin (k = 0). Le minimum central de la bande de conduction correspond ร des รฉlectrons ayant une faible masse effective, donc trรจs 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 รฉlectrons y ont une masse effective plus grande et donc une plus faible mobilitรฉ. Les principales propriรฉtรฉs physiques des deux composรฉs binaires cโest-ร -dire le nitrure dโaluminium (w-AlN) et le nitrure de gallium (w-GaN), sont regroupรฉs dans le tableau I-1 et comparรฉes ร celles du silicium(Si), du carbure de silicium (4H-SiC) et de lโarsรฉniure de gallium (GaAs).
Les matรฉriaux AlN et GaN sont donc des matรฉriaux trรจs prometteurs compte tenu de leurs excellentes propriรฉtรฉs, adรฉquates pour les applications de tรฉlรฉcommunications. ร titre indicatif, il semble intรฉressant de comparer les propriรฉtรฉs รฉlectriques de cette famille de matรฉriaux III-N avec celles de la filiรจre GaAs, qui constitue ร lโheure actuelle, celle qui est la plus utilisรฉe par les fonderies compte tenu de sa maturitรฉ pour le dรฉveloppement de composants et circuits de puissance hyperfrรฉquence (tableau I.1). Il ressort de ces indications que les รฉlรฉments nitrurรฉs de par leurs gaps importants leurs conductivitรฉs thermiques satisfaisantes et leurs champs de claquages รฉlevรฉs, prรฉsentent de nombreux avantages pour ce type dโapplications. Associรฉes ร une vitesse de saturation des porteurs deux fois supรฉrieure ร celle du GaAs, leurs potentialitรฉs en font des candidats de choix pour les applications de puissance hyperfrรฉquence.
Effets de polarisation dans le cristal
Lโune des spรฉcificitรฉs des composรฉs dโรฉlรฉments III-N, comparรฉs aux autres composรฉs III-V tels que lโarsรฉniure (GaAs par exemple), est lโexistence dโune polarisation spontanรฉe et dโune polarisation piรฉzoรฉlectrique [7]. M. Asif Khan et al. [8] ont รฉtรฉ les premiers ร mettre ร profit cette propriรฉtรฉ pour rรฉaliser le premier transistor AlGaN/GaN en 1993. Aussi, O. Ambacher et al. [9] ont expliquรฉ quantitativement les effets induits par les polarisations spontanรฉe et piรฉzoรฉlectrique dans une hรฉtรฉrostructure AlGaN/GaN (dopรฉe ou non-dopรฉe).
Polarisation spontanรฉe
Dans une structure cristalline GaN de type wurtzite, les รฉlectrons de la bande de valence sont plus attirรฉs par lโazote que par le gallium ร cause de sa forte รฉlectronรฉgativitรฉ, on peut constater en considรฉrant la figure I.3. Cette attraction entraรฎne la dรฉformation de la structure tรฉtraรฉdrique et le rapport des paramรจtres de maille (c/a) devient plus faible que la valeur attendue (c/a = 1,633). La non-concordance des barycentres des charges positives et nรฉgatives entraรฎne donc la crรฉation dโune polarisation appelรฉe polarisation spontanรฉe. ย On sait que lโAlxGa1-xN avec une polaritรฉ Gallium possรจde un dรฉsaccord de maille avec le GaN. Il sโavรจre que la maille du nitrure de gallium est plus importante que celle de lโAlxGa1-xN quelque-soit x supรฉrieur ร 0. Le matรฉriau ternaire est donc contraint en tension ce qui, par consรฉquent, impose le fait que les polarisations spontanรฉe et piรฉzoรฉlectrique de lโAlxGa1-xN sont toutes les deux orientรฉes vers le bas. Quand au dรฉsaccord de maille entre le GaN (situรฉ juste en dessous du 2DEG) et le buffer en Nitrure dโaluminium (AlN), il est de nature diffรฉrente. En effet, lโAlN possรจde une maille moins grande que le nitrure de gallium, le GaN (face Ga) subit donc une contrainte en compression. Cโest pour cela que la polarisation piรฉzoรฉlectrique qui lโhabite est orientรฉe vers le haut du transistor comme nous le montre la figure II.3 du composant entier.
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Table des matiรจres
Introduction gรฉnรฉrale
I-1 Introduction
I-2 Principales propriรฉtรฉs des matรฉriaux 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 spontanรฉe
I-2-3-2 Polarisation piรฉzoรฉlectrique
I-3 Les transistors ร effet de champ pour les applications hyperfrรฉquences
I-3-1 Gรฉnรฉralitรฉs
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 dโun transistor HEMT classique
I-3-3-3 Les diffรฉrentes couches dโun transistor HEMT AlGaAs/GaAs classique
I-3-3-4 Origine du fonctionnement dโun transistor HEMT AlGaAs/GaAs
I-3-3-5 Les limitations de la technologie ร base dโArsรฉniure de Gallium appliquรฉe ร la fabrication de transistor HEMT
I-3-4 Le Transistor HEMT en technologie GaN
I-3-4-1 Dรฉfinition 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 lโart du transistor HEMT en GaN dโaprรจs lโITRS
I-4 Conclusion
CHAPITRE II : Modรฉlisation physico-thermique du HEMT GaN
CHAPITRE III : Rรฉsultats et interprรฉtations
II-1 Introduction
II-2 Polarisation dans les HEMTs AlGaN/GaN
II-2-1 Polarisation piรฉzoรฉlectrique
II-2-2 Polarisation spontanรฉe
II-3 Dรฉtermination de la quantitรฉ de charge ร lโinterface AlGaN/GaN
II-4 Dรฉtermination de la quantitรฉ de charge ร lโinterface AlGaN/GaN en GaN contraint en tension
II-5 Modรจle physico-thermique du HEMT
II-5-1 Modรจle physico-รฉlectrique du HEMT
II-5-2 Modรจle thermique du HEMT
II-6 Rรฉsolution numรฉrique par la mรฉthode des รฉlรฉments finis
II-6-1 Couplage physico-thermique
II-6-2 Paramรจtres d’entrรฉe du modรจle numรฉrique
II-6-3 Configuration de la densitรฉ de charges qui constitue le 2DEG
II-6-4 Dรฉfinition de la mobilitรฉ en fort champ
II-7 Conclusion
CHAPITRE III : Rรฉsultats et interprรฉtations
III-1 Introduction
III-2 Description du logiciel SILVACO
III-3 Topologie de la structure รฉtudiรฉe
III-3-1 Maillage
III-3-2 Diagramme de bandes dโรฉnergie
III-4 Rรฉsultats et interprรฉtations
III-4-1 Rรฉsultats statiques
III-4-1-1 Caractรฉristiques de sortie Ids-Vds
III-4-1-2 Caractรฉristiques de transfert Ids-Vgs
III-4-2 Effet des paramรจtres gรฉomรฉtriques sur les caractรฉristiques du HEMT en GaN
III-4-2-1 Effet de la longueur de la grille
III-4-2-2 Effet de lโรฉpaisseur de la couche barriรจre
III-4-2-3 Impact de lโรฉpaisseur de substrat
III-4-2-4 Impact du matรฉriau de substrat
III-4-3 Distribution des grandeurs รฉlectriques dans le HEMT AlGaN/GaN/4H-SiC
III-4-3-1 Carte du potentiel .
III-4-3-2 Carte de concentration en รฉlectron
III-4-4-3 Carte de la tempรฉrature de rรฉseau
III-5 Conclusion
Conclusion gรฉnรฉrale
Rรฉfรฉrences bibliographiques
Annexe A
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