Soutenance mémoire
Fonctionnement des transistors HEMTs GaN
LE NITRURE DE GALIUM
Avec le progrès constant du marché de la communication sans fil, ainsi que l’évolution rapide des applications militaires et spatiales, les transistors micro-ondes jouent des rôles essentiels dans de nombreux aspects des activités humaines.
Les transistors HEMTs à base des matériaux à grand gap, et plus spécialement ceux réalisés à base de Nitrure de Gallium semblent être une solution prometteuse pour le développement des amplificateurs de puissance.
De nos jours, la technologie GaN, est en voie de devenir de plus en plus dominante dans la fabrication des amplificateurs de hautes puissances, une technologie qui apporte des performances inégalées en matière d’efficacité et de linéarité.
Grâce à ses caractéristiques intrinsèques, le dispositif micro-ondes à base de GaN est adapté à la production de niveaux de puissance RF très élevés à de hautes fréquences. D’autre part ces mêmes caractéristiques lui permettent de fonctionner à des températures très élevées. La largeur de bande interdite d’un dispositif GaN offre la robustesse et la fiabilité nécessaire pour le fonctionnement sous de telles conditions.
Structure cristalline
Le Nitrure de Galium est un matériau résultant de l’association de l’Azote et du Galium. Le Galium (composant solide) découvert en 1875 par Lecoq de Boisbaudran, doit son nom au mot latin Gallia signifiant Gaulle. L’Azote (composant gazeux) découvert en 1772 par Cavendish et Rutherford, doit son nom du mot grec Azoé signifiant : privé de vie. Le symbole N vient du français Nitrogène signifiant « engendre le Nitre ». Le GaN possède deux formes différentes (Soubercaze, 2007) :
• La structure Wurtzite : c’est une structure qui peut être représentée par deux réseaux hexagonaux. Chaque réseau est composé soit par l’atome du Gallium soit par l’atome de Nitrure. Chacun de ces atomes est décalé de la maille élémentaire de 5/8 ième suivant l’axe C.
• La structure zinc-blende correspond à deux réseaux cubiques faces centrées. Chaque réseau est occupé soit par les atomes de gallium, ou par les atomes d’azote, qui sont décalés de la diagonale de la maille élémentaire d’un quart soit (1/4 1/4 1/4).
Du point de vue cristallin, ces deux structures sont très similaires. La direction de la structure cubique (111) est la même que celle de la structure hexagonale (0001), tandis que l’empilement de leurs plans cristallins suit une séquence différente. La séquence d’empilement pour le plan cubique est ABAB, alors que celle de la structure hexagonale est ABCABC, donc la position du troisième voisin est celle qui fait vraiment la différence entre ces deux structures. (S.H. Park, 2000)
Fonctionnement des transistors HEMT GaN
Le HEMT (High Electron Mobility Transistor) est une hétéro structure à vitesse de porteurs de charge très élevée. D’autres appellations peuvent décrire la même hétéro structure comme : HFET (Heterojunction Field Effect Transistor), ou bien MODFET (MOdulation Doped Field Effect Transistor). Ce qui le distingue des autres transistors est l’utilisation d’une jonction entre des matériaux ayant des bandes d’énergie différentes. L’hétérojonction réduit le temps de transit des électrons constituant le courant drain-source dans le semi-conducteur non dopé, et augmente la mobilité des électrons, permettant ainsi un bon fonctionnement aux hautes fréquences.
Un transistor HEMT fonctionne de la façon suivante :
Les électrons s’accumulent dans un canal résultant des deux effets de polarisation :
1. La polarisation spontanée, qui n’est que la polarisation du matériau relaxé. Sa direction est dépendante de la polarité de la croissance de la couche AlGaN :
– orientée vers le substrat pour une polarité Gallium.
– le sens inverse pour une polarité azote.
2. La polarisation piézoélectrique : qui est le résultat de la différence de mailles entre les deux matériaux de l’hétéro structure. Elle provoque l’apparition d’un champ électrique engendré par les contraintes dans le cristal AlGaN. Sa direction :
– sera orientée vers le substrat en cas d’extension des mailles de la couche AlGaN.
– en sens inverse pour une compression des mailles AlGaN.
Ces deux champs réunis, provoquent l’apparition d’une densité de charge positive côté AlGaN (polarité Gallium), avec la courbure des bandes d’énergie. La condition de neutralité électrique oblige cette densité de charge positive d’être compensée par une densité de charge négative. Des électrons libres apparaissent alors à l’interface AlGaN/GaN côté GaN (gaz d’électrons).
Champs piézoélectrique et polarisation spontanée
La piézoélectricité est un phénomène qui a été découvert en 1880 par les frères Curie. Elle peut être traduite par l’apparition d’une charge électrique dipolaire, produite par un matériau, lorsqu’il est soumis à une contrainte mécanique qui le déforme. L’inverse est vrai pour certains cristaux, ça veut dire qu’ils peuvent être déformés lorsqu’ils seront soumis à une polarisation. Cet effet n’est que le résultat des contraintes cristallines, plus précisément l’apparition des dipôles électriques internes, crées par le désaccord de maille entre les charges positives et les charges négatives, sous un effet de contrainte externe.
Certains cristaux piézoélectriques présentent un moment dipolaire permanent, soit une polarisation électrique spontanée, en l’absence de toute contrainte extérieure. Ces cristaux sont appelés : pyroélectriques, car leur polarisation spontanée est proportionnelle à la température. Le champ piézoélectrique total est donc la somme de la polarisation spontanée et du champ piézoélectrique engendré par une contrainte mécanique. (Bernardini, 1997)
Substrats d’épitaxie
Idéalement, le substrat est composé du même matériau que le transistor afin d’éviter toute dégradation des performances du transistor. Parmi ces dégradations, les dommages que causent les discontinuités cristallographiques entre le matériau et la couche basse qui constitue son substrat.
Dans notre cas, un substrat de Nitrure de Gallium réduit bien la complexité entre les deux matériaux, en gardant ainsi l’uniformité par élimination de tout désaccord de maille entre les deux structures. Cependant, un tel substrat est aujourd’hui difficile à fabriquer, à cause de son coût très élevé, et aussi à cause de très hautes températures et niveaux de pression qu’il nécessite pour le fondre.
Nous sommes donc obligés d’utiliser un autre substrat fabriqué d’un matériau différent du GaN, pour que la couche de cristal GaN puisse croître. Le seul problème est que la plupart des substrats utilisés, pour l’épitaxie du Nitrure de Gallium sont en désaccord de maille avec ce dernier.
Méthodologie de modélisation des transistors
Choix de la topologie
Il est important de faire un choix de topologie afin de définir un modèle. La méthodologie d’extraction et de modalisation du transistor est généralement définie dépendamment du type de topologie choisie. Nous allons citer en exemple quelques types de topologies et les modèles qui leurs sont liés.
Topologie en boite noire: Ce type de configuration ne nous permet pas d’avoir accès à ses éléments internes. On distingue deux modèles reliés à cette topologie et qui sont :
• Modèle de Root
Il est constitué généralement par des équations empiriques, d’où on peut déterminer à chaque accès du modèle, les valeurs de charges et de courants pour des tensions d’alimentation précises. Il faut noter que les valeurs des charges et courants seront affectés par l’ensemble des variables d’entrée que constitue chaque accès du modèle, ajoutant à cela les variables liés aux effets internes tel que l’auto-échauffement.
Malgré que son extraction est assez rapide ainsi que son utilisation est facile, l’inconvénient principal de son utilisation est sa méthode d’extraction qui se fait à un seul point de polarisation voir à une seule fréquence. Ceci va surement restreindre son utilisation.
• Modèle « boîte noire »
Le fonctionnement de ce type de modèle se rapproche de celui du modèle Root. Cependant contrairement au modèle Root qui utilise seulement des équations empiriques, les valeurs des charges et courants de ce type de modèle sont déterminés en se basant sur des circuits équivalents, semblables aux modèles explosés que nous allons aborder par la suite.
Topologie « explosée »: Cette topologie se base sur un caractère plus physique. Contrairement à la topologie précédente, elle donneaccès aux valeurs des éléments intrinsèques. Son principe est de représenter les phénomènes qui se produisent dans le transistor et les interpréter par des éléments électriques (capacité, diode, source de courant, résistance).
Un modèle explosé complet est présenté dans la figure 3.4. Il se compose donc d’éléments intrinsèques tel que les capacités de jonctions, et d’éléments extrinsèques, d’autres éléments seront joint à ce modèle tel que les diodes d’avalanche ou bien le circuit thermique, ou encore le circuit représentant les effets de pièges.
Les éléments intrinsèques : ce sont les éléments qui décrivent l’aspect actif intrinsèque du transistor.
– Le générateur du courant : est l’effet fondamental du transistor. Il constitue la source de courant contrôlée par tension. Le retard τ est le temps de transit des électrons dans le canal. Parmi les caractéristiques fondamentales du transistor, on trouve aussi la transconductance gm, qui représente la variation du courant dans le canal modulé par la tension de grille.
– La conductance de sortie gd=1/Rds, traduit la variation du courant dans le canal modulé par la tension de drain. Sa valeur permet de déterminer la résistance du canal.
– Les capacités grille-source Cgs et grille-drain Cgd sont les variations des charges accumulées dans la zone de déplétion, située sous la grille. Cgd détermine cette variation modulée par la tension grille-drain pour une tension grille-source constante. Cgs détermine cette variation modulée par la tension grille source pour une tension grille drain constante.
– La résistance Ri est la résistance d’entrée, qui permet de modéliser l’impédance d’entrée du transistor. Quant à la résistance Rgd elle permet de modéliser la rétroaction du composant ; elle est parfois négligée. Ces deux résistances décrivent le caractère distribué du canal.
Les éléments extrinsèques : ce sont les éléments parasites liés à la géométrie du transistor.
– Les résistances de drain Rd et de source Rs représentent les effets résistif des contacts ohmiques et des zones du substrat situées entre la zone active du canal et les électrodes externes de source ou de drain.
– La résistance de grille Rg représente les pertes du signal de commande dues à l’effet distribué le long de l’électrode de grille.
– Les capacités Cpg et Cpd sont les capacités induites par les accès de grille et de drain visà-vis du substrat.
– L’effet inductif due à la topologie métallique des contacts est représenté par : Lg, Ld et Ls.
Il n’est pas nécessaire que le modèle intègre tous ces éléments, car suivant le matériau employé pour la fabrication du transistor, certains éléments seront plus ou moins négligés dans le modèle.
Le fait d’avoir accès aux éléments intrinsèques et de déterminer leurs valeurs, permettra de fournir au concepteur amples détails et informations relatifs aux phénomènes physiques, tels l’évolution des capacités non linéaires. Ces informations sont très utiles pour la conception d’un modèle large signal plus précis. Il est évident aussi de signaler que des fois cette topologie est plus complexe à concevoir. (Lovelace , 2005)
Les méthodes d’extraction
Une fois la topologie choisie et bien définie, la méthodologie d’extraction doit être adaptée à cette topologie. Pour une topologie de type root par exemple, la méthodologie doit être simple et consistera à déterminer les valeurs des courants et charges, en utilisant seulement les éléments d’entrées et sorties.
Par contre, une topologie de type boite noire, nécessite une méthodologie d’extraction plus complexe qui tient compte d’un nombre important de paramètres à extraire. La procédure en question doit déterminer les éléments extrinsèques et intrinsèques du modèle.
Éléments extrinsèques: sont les éléments qui ne participent pas à l’effet qui se produit dans le canal soit l’effet transistor. Ce sont généralement les métallisations d’accès à la zone active qui sont qualifiés comme des éléments parasites.
Éléments intrinsèques: sont les éléments de la zone active du transistor. On procède d’abords par extraire les éléments extrinsèques, pour ensuite avoir libre accès aux éléments intrinsèques. On utilise une de ces méthodes suivantes ou plusieurs à la fois.
Extraction des éléments intrinsèques
Une fois la topologie du modèle choisie et les composants extrinsèques définis, nous avons
directement accès aux éléments intrinsèques de la zone active du transistor, En utilisant une
méthodologie qui a également été très largement éprouvée et validée. (Dambrine, 1988)
Validation grand signal
L’extraction du modèle étant faite en régime petit-signal, il est important d’évaluer son comportement lorsque des signaux de puissance lui sont appliqués. Le transistor est de nouveau mesuré en régime grand-signalet plusieurs systèmes de mesures sont utilisés. (Whang , 2002)
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 LE NITRURE DE GALIUM
1.1 Généralités
1.2 Structure cristalline
1.3 Principales caractéristiques du GaN
1.3.1 Bande interdite (Gap) et champ critique (Ec)
1.3.2 Densité de porteurs de charge intrinsèque
1.3.3 Mobilité et vitesse des porteurs
CHAPITRE 2 Fonctionnement des transistors HEMTs GaN
2.1 Le HEMT
2.2 Principe de l’hétérojonction
2.3 Champs piézoélectrique et polarisation spontanée
2.3.1 Polarisation spontanée
2.3.2 Polarisation piézoélectrique
2.3.3 Concentration du gaz bidimensionnel
2.3.4 Contacts Schottky et Ohmiques
2.4 Substrats d’épitaxie
2.4.1 Le substrat silicium Si
2.4.2 Le carbure de silicium SiC
2.4.3 Le saphir Al2O3
2.5 Structure physique d’un HEMT
2.6 Critères de performances électriques d’un transistor
2.6.1 Fonctionnement petit signal
2.6.2 Fonctionnement grand signal
2.7 Conclusion
CHAPITRE 3 Méthodologie de modélisation des transistors
3.1 Choix de la topologie
3.1.1 Topologie en boite noire
3.1.2 Topologie « explosée »
3.2 Les méthodes d’extraction
3.2.1 Simulation électromagnétique
3.2.2 Le FET froid
3.2.3 L’optimisation
3.2.4 Méthode statistique
3.2.5 Méthode analytique
3.3 Extraction des éléments intrinsèques
3.4 Validation grand signal
3.4.1 Mesures loadpull
3.4.2 Mesures des formes d’ondes temporelles
3.5 Conclusion
CHAPITRE 4 Le modèle équivalent en régime petit signal
4.1 Étude du premier transistor
4.2 Topologie du modèle petit signal
4.3 Méthodologie d’extraction des éléments extrinsèques
4.3.1 Effet de substrat
4.3.2 Effets internes du canal
4.4 Étude du deuxième transistor
4.4.1 Extraction des éléments extrinsèques
4.4.2 Extraction des éléments intrinsèques
4.5 Application sur le transistor AlGaN/GaN 2×100 μ m
CONCLUSION GÉNÉRALE
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