Modélisation physico-thermique du HEMT GaN

Structure de bande

Les bandes d’énergie donnent les états d’énergie possibles pour les électrons et les trous en fonction de leur vecteur d’onde. Elles se décomposent en bandes de valence et bandes de conduction (figure I.2) [5]. Nous les représentons dans l’espace réciproque pour simplifier suivant des directions de plus hautes symétries. La densité d’états est représentée au centre de la première zone de Brillouin. L’allure générale des bandes est la même pour tous les composés III-N considérés. La structure de bandes est directe, c’est-à-dire que le maximum de la bande de valence et le minimum de la bande de conduction sont situés au centre de la zone de Brillouin (k = 0). Le minimum central de la bande de conduction correspond à des électrons ayant une faible masse effective, donc très 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 électrons y ont une masse effective plus grande et donc une plus faible mobilité.

Les principales propriétés physiques des deux composés binaires c’est-à-dire le nitrure d’aluminium (w-AlN) et le nitrure de gallium (w-GaN), sont regroupés dans le tableau I-1 et comparées à celles du silicium(Si), du carbure de silicium (4H-SiC) et de l’arséniure de gallium (GaAs). Les matériaux AlN et GaN sont donc des matériaux très prometteurs compte tenu de leurs excellentes propriétés, adéquates pour les applications de télécommunications. À titre indicatif, il semble intéressant de comparer les propriétés électriques de cette famille de matériaux III-N avec celles de la filière GaAs, qui constitue à l’heure actuelle, celle qui est la plus utilisée par les fonderies compte tenu de sa maturité pour le développement de composants et circuits de puissance hyperfréquence (tableau I.1). Il ressort de ces indications que les éléments nitrurés de par leurs gaps importants leurs conductivités thermiques satisfaisantes et leurs champs de claquages élevés, présentent de nombreux avantages pour ce type d’applications. Associées à une vitesse de saturation des porteurs deux fois supérieure à celle du GaAs, leurs potentialités en font des candidats de choix pour les applications de puissance hyperfréquence.

Le MESFET : «TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP A CONTACT SCHOTTKY»

Le MESFET (MEtal Semi-conducteur Field Effect Transistor) fut le premier composant à être fabriqué à partir d’un composé III-V. En 1966 Carver Mead [13] proposa en premier lieu de remplacer le Silicium des premiers FET par un semiconducteur III-V tel que l’Arséniure de Gallium (GaAs), puis réalisé par Hoop [14]. Cette évolution au niveau matériau a permis l’utilisation des MESFETs aux fréquences micro-ondes, et depuis cette date de nombreux travaux ont été effectués pour réaliser des transistors de plus en plus performants à base de matériau à grand gap. Les premiers résultats obtenus avec un MESFET au carbure de silicium (4H-SiC) datent de 1994. La structure du Transistor à effet de champ à contact Schottky repose sur une couche active (canal) directement implantée dans le substrat semi-isolant. Ensuite, la grille en métal réfractaire est déposée pour matérialiser le contact Schottky. Puis les zones N+ sont implantées en se servant du métal comme d’un masque pour obtenir deux zones d’accès auto alignées sur la grille. La figure I.7 présente une coupe schématique d’un MESFET. La structure présentée met en évidence les différentes couches utilisées pour sa réalisation. La couche active est généralement une couche du type N qui repose sur un substrat semiisolant. Les contacts de source et de drain sont des contacts ohmiques contrairement au contact Schottky de grille.

Origine de fonctionnement d’un transistor HEMT AlGaAs /GaAs

La structure des couches du HEMT est réalisée de façon à séparer physiquement les électrons libres dans le canal des donneurs ionisés, ceci afin d’augmenter la mobilité des électrons par la réduction de la répartition des impuretés ionisées. Ainsi la différence essentielle entre les MESFETs et les HEMTs se situe au niveau du principe même du contrôle du courant dans le canal. Alors que dans le cas du MESFET, l’électrode de grille contrôle la section du canal disponible pour la conduction, dans le cas du HEMT, elle contrôle la densité d’un gaz d’électrons libres dans une zone non dopée située sous l’hétéro-interface qui constitue le canal du transistor. Le gaz d’électrons étant créé, il est possible de contrôler la densité de porteurs dans le canal par l’intermédiaire de la tension appliquée sur la grille. La figure I.9 présente les diagrammes de bande de la zone située sous la grille en fonction de la polarisation de grille appliquée. Lorsque la tension Vgs augmente, le puits de potentiel devient de plus en plus profond, permettant à un nombre plus grand d’électrons de diffuser dans le GaAs. Comme pour le MESFET, la tension Vds crée un champ électrique dans le canal qui entraîne les électrons de la source vers le drain formant ainsi un courant Ids (drainsource). Pour des tensions de grille suffisamment négatives la densité de porteurs dans le canal devient négligeable et aucun courant significatif ne circule dans le canal. Le HEMT est alors pincé. L’évolution du courant de drain en fonction de la tension de drain et pour différentes valeurs de la tension de grille est sensiblement la même que pour le MESFET. De plus, un effet de saturation de courant intervient également pour le HEMT. Il provient de la limite de vélocité des électrons.

Les limitations de la technologie à base d’Arséniure de Gallium appliqués à la fabrication HEMT On observe plusieurs sortes de limitations liées dir transistor. Elles ont un impact direct sur les performances du transistor aussi bien du point de vue statique que dynamique. semblent avoir atteint leurs limites concernant les performances en puissance, et une énergie de bande interdite faible. Toutefois, le GaAs et d’autres matériaux comme le silicium sont utilisés beaucoup trop prés de leurs limites physiq particulier aux niveaux des densités de puissances fournies. Dans un second temps, la limitation qui est sans doute la plus connue est l’effet MESFET parasite, Ce nom fait référence du fait que la conduction dans un MESFET s’opère directement dans la couche située sous la grille. C’est de cette manière que l’effet MESFET parasite se manifeste dans un transistor HEMT. Au vues de ces inconvénients, il a été nécessaire de tourner vers une technologie plus efficace afin de palli performances du transistor. Ainsi, les propriétés intéressantes des matériaux de types Nitrures ont attiré l’attention des chercheurs vers une perspective nouvelle, celle de changer de matériau voire de structure afin de reproduire le fonctionnement de l’HEMT directement à la structure du Dans un premier temps, les HEMTs en GaAs physiques ultimes, en irectement pallier tous les problèmes qui limitent très fortement les tout en se désolidarisant des désagréments physiques provoqués par la structure du transistor en Arséniure de Gallium.

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Table des matières

Remerciements
Table des matières
Liste des figures
Liste des tableaux
Introduction générale
CHAPITRE I : Filières technologiques 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 Effets de polarisation dans le cristal
I-2-3-1 Polarisation spontanée
I-2-3-2 Polarisation piézoélectrique
I-3 Les transistors à effet de champ pour les applications hyperfréquences
I-3-1 Généralités
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 d’un transistor HEMT classique
I-3-3-3 Les différentes couches d’un transistor HEMT AlGaAs/GaAs classique
I-3-3-4 Origine du fonctionnement d’un transistor HEMT AlGaAs/GaAs
I-3-3-5 Les limitations de la technologie à base d’Arséniure de Gallium appliquée à la fabrication de transistor HEMT
I-3-4 Le Transistor HEMT en technologie GaN
I-3-4-1 Définition de la structure par couche du transistor HEMT GaN
CHAPITRE II : Modélisation physico-thermique du HEMT GaN
CHAPITRE III : Résultats et interprétations
I-3-4-2 Diagramme des bandes de la structure HEMT GaN et son fonctionnement
I-3-4-3 Etat de l’art du transistor HEMT en GaN d’après l’ITRS
I-4 Conclusion
II-1 Introduction
II-2 Polarisation dans les HEMTs AlGaN/GaN
II-2-1 Polarisation piézoélectrique
II-2-2 Polarisation spontanée
II-3 Détermination de la quantité de charge à l’interface AlGaN/GaN
II-4 Détermination de la quantité de charge à l’interface AlGaN/GaN en GaN contraint en tension
II-5 Modèle physico-thermique du HEMT
II-5-1 Modèle physico-électrique du HEMT
II-5-2 Modèle thermique du 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
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 interprétations
III-4-1 Résultats statiques
III-4-1-1 Caractéristiques de sortie Ids-Vds
III-4-1-2 Caractéristiques de transfert Ids-Vgs
III-4-2 Effet des paramètres géométriques sur les caractéristiques du HEMT en GaN
III-4-2-1 Effet de la longueur de la grille
III-4-2-2 Effet de l’épaisseur de la couche barrière
III-4-2-3 Impact de l’épaisseur de substrat
III-4-2-4 Impact du matériau de substrat
III-4-3 Distribution des grandeurs électriques dans le HEMT AlGaN/GaN/4H-SiC
III-4-3-1 Carte du potentiel
III-4-3-2 Carte de concentration en électron
III-4-4-3 Carte de la température de réseau
III-5 Conclusion
Conclusion générale
Références bibliographiques
Annexe A