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Rpublique Algrienne Dmocratique et Populaire
FACULTDEPARTEMENT DE
Filire : Tlcommunication
Master : Tlcommunication
Option : Rseaux Mobiles et Service
Prsent par :
- FARADJI Mohammed Amine
- SENOUCI Abdelmounaime
Soutenu en juillet 2013
Mr MERZOUGUI Rachid Prsident
Melle DJELTI Hamida
Mr ABRI Mehadji Examinateur M.C.A lUniversit de Tlemcen
Melle BENMOSTEFA Naima
Anne Universitaire
MODELISATION NUMERIQUEDANS LE TRANSISTOR HEMT EN THECHNOLOGIE GAN
Rpublique Algrienne Dmocratique et Populaire
FACULTE DE TECHNOLOGIEPARTEMENT DE GENIE ELECTRIQUE ET ELECTRONIQUE
: Tlcommunications
Projet de Fin dEtudes
Tlcommunications
et Services
Intitul :
FARADJI Mohammed Amine
SENOUCI Abdelmounaime
Soutenu en juillet 2013 devant le jury compos de
MERZOUGUI Rachid Prsident M.C.A lUniversit de Tlemcen
DJELTI Hamida Encadreur M.C.B lUniversit de Tlemcen
ABRI Mehadji Examinateur M.C.A lUniversit de Tlemcen
BENMOSTEFA Naima Examinatrice M.A.A lUniversit de Tlemcen
Anne Universitaire : 2012-2013
LISATION NUMERIQUE DES EFFETS THERMIQUESDANS LE TRANSISTOR HEMT EN THECHNOLOGIE GAN
Rpublique Algrienne Dmocratique et Populaire
LECTRONIQUE
devant le jury compos de
lUniversit de Tlemcen
lUniversit de Tlemcen
ABRI Mehadji Examinateur M.C.A lUniversit de Tlemcen
lUniversit de Tlemcen
DES EFFETS THERMIQUESDANS LE TRANSISTOR HEMT EN THECHNOLOGIE GAN
)(GaN (HEMTs)
)GaAs( pHEMTs(Si) LDMOS
).3G) 4G WiMAX
.
.
. HEMTDC
-
.
. .
.
HEMT : GaN .
Rsum
Rcemment, les transistors haute mobilit lectronique (HEMTs) base de nitrure de gallium (GaN)
sont capables de concurrencer les transistors LDMOS base de silicium (Si) et les pHEMTs base
darsniure de gallium (GaAs) sur le march des stations de bases utilises pour les
tlcommunications (3G, 4G, WiMAX,...). Les progrs technologiques accomplis ces dernires annes
permettent de disposer des transistors rapides ayant des caractristiques intressantes. La conception
des circuits pour les systmes complexes ncessitent une grande densit dintgration, ceci impose de
traiter les effets thermiques lis aux fortes dissipations de puissances et qui sont responsables de la
dgradation des performances de ces systmes.
Le travail prsent dans ce mmoire porte sur ltude de leffet thermique sur le comportement DC du
transistor HEMT en technologie GaN. Dans ce cadre, un modle physico-thermique issu dun couplage
dun modle de drive-diffusion et dun modle thermique est bas sur la mthode des lments finis a
t dvelopp pour ce transistor. Ce modle prend en compte la temprature de rseau en tout point du
composant. Il permet ltude et lanalyse dtaille de leffet de la temprature sur lensemble des
paramtres de ce composant. Ce modle a t exploit pour examin linfluence de certains paramtres
technologiques qui impactent les performances du transistor tels que la longueur de la grille, lpaisseur
de la barrire et du substrat.
Mots cls : HEMT, GaN, Dissipation thermique, Elments finis.
Abstract
Recently, high electron mobility transistors (HEMTs) based on gallium nitride (GaN) are able to
compete the LDMOS transistors based on silicon (Si) and pHEMTs based on gallium arsenide (GaAs)
on market base stations used for telecommunications (3G, 4G, WiMAX, ...). Technological advances in
recent years have used to fast transistors with interesting features. Circuit design for complex systems
require high integration density, this requires treating the thermal effects associated with high power
dissipation and are responsible for the degradation of the performance of these systems.
The work presented in this thesis focuses on the study of the thermal effect on the DC behavior of GaN
HEMT technology. In this context, a physical model from a thermal coupling of a drift-diffusion model
and a thermal and based on the finite element model was developed for this transistor. This model takes
into account the temperature at any point of the network component. It allows the study and detailed
analysis of the effect of temperature on all the parameters of the component. This model was used to
examine the influence of some technological parameters that affect the performance of the transistor
such as gate length, the thickness of the gate and the substrate.
Keywords : HEMT, GaN, thermal dissipation, finite elements.
est grce Allah seul que jai pu achever ce travail.
Je le ddie :
Ma trs chre mre, qui a toujours t prsente pour moi,dans les moments les plus difficiles et qui sans cesse veille sur moi avec
ses prires, pour ses grands sacrifices et tout
lamour quelle me porte.
Mon trs cher pre, pour tous ses conseils et pour toute la confiancequil a mise en moi et pour son dvouement pour mon bonheur.
Que dieu me le garde.
Mon cher frre : Kheireddine.
Ma chre sur : Asma.
Toute la famille : FARADJI, HARCHAOUI, MHADJI,KADRINE, HAMMADI, HAFFAF,TABET HELAL et MEDHAR.
Tous mes amis(es), amis de scouts et collgues
Mon binme SENOUCI Abdelmouname et toute sa famille.
Tous mes enseignant.
Toute la promotion de gnie lectrique et lectronique 2O13plus particulirement la promotion Rseaux Mobiles et
Services chaquun par son nom.
FARADJIMohammed
Amine
est grce Allah seul que jai pu achever ce travail.
Je le ddie :
Ma trs chre mre, qui a toujours t prsente pour moi,dans les moments les plus difficiles et qui sans cesse veille sur moi avec
ses prires, pour ses grands sacrifices et tout
lamour quelle me porte.
Mon trs cher pre, pour tous ses conseils et pour toute la confiancequil a mise en moi et pour son dvouement pour mon bonheur.
Que dieu me le garde.
Mes chres surs : Kawther et Amel.
Toute la famille : SENOUCI et BAI.
Tous mes amis(es) et collgues
Mon binme FARADJI Mohammed Amine et toute safamille.
Tous mes enseignants
Toute la promotion de gnie lectrique et lectronique 2O13plus particulirement la promotion Rseaux Mobiles et
Services chaquun par son nom.
SENOUCIAbdelmouname
travers ce modeste travail, nous remercionsALLAH pour nous avoir donn sant, courageet aide pour la confection de cet ouvrage.
Nous exprimons notre profonde gratitude notre encadreurmademoiselle DJELTI HAMIDA pour ses prcieux conseils etson encadrement afin de mener bien ce modeste travail.
Nos sincres remerciements sadressent galement monsieurle prsident de jury MERZOUGUI Rachid et les membres dujury de Mr ABRI Mehadji et Melle BENMOSTEFA Naimapour lhonneur quils nous font pour juger et examiner ce travailde mmoire.
Au terme de ce travail, nous voudrons adresser nous vifsremerciements tous nos professeurs qui ont contribu notreformation.
SENOUCI.A ET FARADJI.M.A
ii
CHAPITRE I : Filires technologiques et volution du HEMT vers une
structure base de GaN
Remerciements ........................................................................................................................... i
Table des matires ..................................................................................................................... ii
Liste des figures ......................................................................................................................... v
Liste des tableaux .................................................................................................................... viii
Introduction gnrale ................................................................................................................. 1
I-1 Introduction .......................................................................................................................... 4
I-2 Principales proprits des matriaux III-N........................................................................... 4
I-2-1 Structure cristalline ..................................................................................................... 4
I-2-2 Structure de bande....................................................................................................... 5
I-2-3 Effets de polarisation dans le cristal............................................................................ 7
I-2-3-1 Polarisation spontane ...................................................................................... 7
I-2-3-2 Polarisation pizolectrique ............................................................................ 10
I-3 Les transistors effet de champ pour les applications hyperfrquences ............................ 12
I-3-1 Gnralits................................................................................................................. 12
I-3-2 Le MESFET .............................................................................................................. 12
I-3-3 Le HEMT .................................................................................................................. 13
I-3-3-1 Historique du transistor HEMT ...................................................................... 14
I-3-3-2 Principe de fonctionnement dun transistor HEMT classique ........................ 14
I-3-3-3 Les diffrentes couches dun transistor HEMT AlGaAs/GaAs classique ...... 14
I-3-3-4 Origine du fonctionnement dun transistor HEMT AlGaAs/GaAs ................ 17
I-3-3-5 Les limitations de la technologie base dArsniure de Gallium applique la
fabrication de transistor HEMT................................................................................................ 18
I-3-4 Le Transistor HEMT en technologie GaN .............................................................. 19
I-3-4-1 Dfinition de la structure par couche du transistor HEMT GaN ..................... 19
iii
CHAPITRE II : Modlisation physico-thermique du HEMT GaN
CHAPITRE III : Rsultats et interprtations
I-3-4-2 Diagramme des bandes de la structure HEMT GaN et son fonctionnement ... 21
I-3-4-3 Etat de lart du transistor HEMT en GaN daprs lITRS ............................... 23
I-4 Conclusion .......................................................................................................................... 25
II-1 Introduction ....................................................................................................................... 27
II-2 Polarisation dans les HEMTs AlGaN/GaN....................................................................... 27
II-2-1 Polarisation pizolectrique ..................................................................................... 27
II-2-2 Polarisation spontane ............................................................................................. 30
II-3 Dtermination de la quantit de charge linterface AlGaN/GaN ................................... 31
II-4 Dtermination de la quantit de charge linterface AlGaN/GaN en GaN contraint en
tension ...................................................................................................................................... 33
II-5 Modle physico-thermique du HEMT .............................................................................. 36
II-5-1 Modle physico-lectrique du HEMT ..................................................................... 36
II-5-2 Modle thermique du HEMT................................................................................... 37
II-6 Rsolution numrique par la mthode des lments finis ................................................. 38
II-6-1 Couplage physico-thermique ................................................................................... 38
II-6-2 Paramtres d'entre du modle numrique .............................................................. 39
II-6-3 Configuration de la densit de charges qui constitue le 2DEG ............................... 39
II-6-4 Dfinition de la mobilit en fort champ................................................................... 41
II-7 Conclusion......................................................................................................................... 42
III-1 Introduction ..................................................................................................................... 45
III-2 Description du logiciel SILVACO .................................................................................. 45
III-3 Topologie de la structure tudie..................................................................................... 47
III-3-1 Maillage .................................................................................................................. 48
III-3-2 Diagramme de bandes dnergie ........................................................................... 50
III-4 Rsultats et interprtations............................................................................................... 51
III-4-1 Rsultats statiques................................................................................................... 51
iv
III-4-1-1 Caractristiques de sortie Ids-Vds................................................................ 51
III-4-1-2 Caractristiques de transfert Ids-Vgs ........................................................... 53
III-4-2 Effet des paramtres gomtriques sur les caractristiques du HEMT en GaN .... 54
III-4-2-1 Effet de la longueur de la grille .................................................................... 54
III-4-2-2 Effet de lpaisseur de la couche barrire .................................................... 55
III-4-2-3 Impact de lpaisseur de substrat ................................................................. 57
III-4-2-4 Impact du matriau de substrat..................................................................... 58
III-4-3 Distribution des grandeurs lectriques dans le HEMT AlGaN/GaN/4H-SiC ........ 60
III-4-3-1 Carte du potentiel ........................................................................................ 60
III-4-3-2 Carte de concentration en lectron ............................................................... 62
III-4-4-3 Carte de la temprature de rseau ................................................................ 63
III-5 Conclusion ....................................................................................................................... 64
Conclusion gnrale ................................................................................................................ 67
Rfrences bibliographiques ................................................................................................... 70
Annexe A.................................................................................................................................. 74
v
CHAPITRE I : Filires technologiques et volution du HEMT vers une
structure base de GaN
Figure I.1: Reprsentation du rseau cristallin du GaN dans sa structure hexagonale de type
wurtzite....................................................................................................................................... 5
Figure I.2: (a) Structure de bandes et densit dtats du w-GaN et (b) Schmatisation de la
premire zone de Brillouin dans un cristal de w-GaN .............................................................. 5
Figure I.3: Distribution des lectrons de la bande de valence dun atome GaN....................... 8
Figure I.4: (a) Structure GaN wurtzite et (b) Polarisation spontane dans une structure GaN
wurtzite....................................................................................................................................... 9
Figure I.5: Charges en surface couche GaN wurtzite ............................................................... 9
Figure I.6: Sens de la polarisation pizolectrique dans le GaN pour deux contraintes
donnes : (a) en tension et (b) en compression ........................................................................ 11
Figure I.7: Vue en coupe du MESFET implant auto-align ................................................ 13
Figure I.8: Schma de principe du HEMT classique AlGaAs/GaAs...................................... 15
Figure I.9: Influence de la polarisation de grille sur le diagramme des bandes de
lhtrojonction ........................................................................................................................ 18
Figure I.10: structure dun transistor HEMT AlxGa1-xN/GaN ................................................ 20
Figure I.11: Diagrammes des bandes dnergie des matriaux constituent lHEMT GaN (pris
sparment) lquilibre thermodynamique............................................................................ 22
Figure I.12: Diagrammes des bandes aprs jonction des deux couches qui constituent
lHEMT AlGaN/GaN lquilibre thermodynamique. .............................................................. 22
vi
CHAPITRE II : Modlisation physico-thermique du HEMT GaN
CHAPITRE III : Rsultats et Interprtations
Figure II.1: Rparation des charges et des polarisations pizolectrique et spontane travers
la structure HEMT GaN, cration du 2DEG dans le cas idal ................................................. 31
Figure II.2: Evolution des polarisations pizolectrique et spontane et de la densit de
charges linterface AlGaN/GaN en fonction de la fraction molaire x .................................. 32
Figure II.3: Visualisation des diffrentes sortes de polarisations qui agissent au sein de
chacune des couches et de la rpartition des charges aux interfaces ....................................... 34
Figure II.4: Diagramme nergtique de lensemble de la structure du composant ................ 35
Figure II.5: Evolution de la vitesse des lectrons selon lamplitude du champ lectrique..... 41
Figure III.1: Schma synoptique des modules utiliss dans la simulation par SILVACO..... 46
Figure III.2: Topologie de la structure HEMT Al0.3Ga0.7N/GaN simule ............................. 48
Figure III.3: Structure maille du transistor HEMT AlGaN/GaN.......................................... 49
Figure III.4: Diagramme de bandes dnergie du HEMT AlGaN/GaN lquilibre
thermodynamique..................................................................................................................... 50
Figure III.5: Caractristiques de sortie Ids-Vds mesures pour Vgs variant de 0 -2V avec
un pas de 1 V ........................................................................................................................... 52
Figure III.6: Caractristiques de sortie Ids-Vds avec (courbes continues) et sans effets
thermiques (courbes en symboles) pour Vgs variant de 0 -2 V ........................................... 52
Figure III.7: Cractrstiques de transfert Ids-Vgs dun HEMT Al0.3Ga0.7N/ GaN pour Vds =
5 et 8V ..................................................................................................................................... 53
vii
Figure III.8: Influence de la longueur de grille sur les caractristiques de sortie Ids-Vds pour
Vgs = 0 et -1 V avec deux longueurs de grille diffrentes : (a) Lg = 0.5 m et (b) Lg = 0.7
m ........................................................................................................................................... 55
Figure III.9: Influence de lpaisseur de la couche barrire sur les caractristiques Ids-Vds
pour Vgs = 0 et -1 V avec deux paisseurs diffrentes de la couche barrire : (a) Ep = 0.026
m et (b) Ep = 0.028m........................................................................................................... 56
Figure III.10: Influence de lpaisseur de substrat sur les caractristiques Ids-Vds, pour Vgs
= -1 V, (a) Ep = 4.5m et (b) Ep = 5m .................................................................................. 57
Figure III.11: Influence du substrat (a) 4H-SiC, (b) Sapphire et (c) Silicium sur les
caractristiques de sortie Ids-Vds pour Vgs = 0 et -1 V........................................................... 60
Figure III.12: Carte 2D de potentiel de rseau pour une tension applique de 10 V, sans effet
thermique, (a) Vgs = 0 V et (b) Vgs = -2 V ............................................................................. 61
Figure III.13: Carte 2D de potentiel de rseau pour une tension applique de 10 V, avec effet
thermique, (a) Vgs = 0 V et (b) Vgs = -2 V ............................................................................. 62
Figure III.14: Carte Carte 2D iso-thermique de la concentration en lectron pour Vds = 10 V,
(a) Vgs = 0 V et (b) Vgs = -2 V ............................................................................................... 62
Figure III.15: Carte 2D thermique de la concentration en lectron pour Vds = 10 V, (a) Vgs
= 0 V et (b) Vgs = -2 V ............................................................................................................ 63
Figure III.16: Carte 2D de la temprature de rseau pour Vds = 10 V, (a) Vgs = 0 V et (b)
Vgs = -2 V................................................................................................................................ 63
Figure III.17: Evolution de la temprature du rseau dans le composant pour Vgs = 0 et -2 V
.................................................................................................................................................. 64
Figure A.1: Entres et sorties dAtlas ..................................................................................... 74
Figure A.2: Ordre des groupes des commandes dans un programme Atlas ........................... 75
viii
CHAPITRE I : Filires technologiques et volution du HEMT vers une
structure base de GaN
CHAPITRE III : Rsultats et interprtations
Tableau I-1: Rcapitulatif de quelques proprits physiques importantes de diffrents semi-
conducteurs AlN, GaN, Si, SiC, et GaAs temprature ambiante ....................................................... 6
Tableau I-2: Valeurs de la polarisation spontane dans le GaN, lAlN et lAlxGa1-xN........................ 10
Tableau I-3: Coefficients pizolectriques et lastiques dAlN,de GaN et dAlxGa1-xN ..................... 11
Tableau I-4: Etat de l'art des transistors HEMTs sur nitrure de gallium III-N .................................... 23
Tableau III-1: Proprits ( 300K) des principaux matriaux utiliss dans la simulation................... 48
Introduction gnrale
1
Introduction gnrale
Cette dernire dcennie a vu apparatre de grandes innovations dans le domaine des
tlcommunications numriques qui comprend aussi bien la tlphonie mobile, les
communications par satellites, les applications Radars, les transmissions de donnes
sans fils Cet essor technologique ne cesse de progresser et de gagner du terrain.
Ainsi, le dveloppement spectaculaire notamment des communications mobiles au
cours des dernires annes a conduit une recherche de technologies robustes et fiables,
des cots relativement raisonnables dans le domaine de llectronique. Les tudes
dveloppes dans le cadre de nouveaux marchs militaires et civils sont lorigine
dune volution importante de tous les secteurs dactivits de llectronique
hyperfrquence.
Cette volution est essentiellement dirige vers le choix de nouvelles technologies
autorisant en particulier des densits de puissance importantes et loptimisation des
composants actifs, intgrs dans de nombreux systmes.
Ces dernires annes, le transistor HEMT base dhtrostructure AlGaN/GaN
fait lobjet dintenses recherches et investigations. Celles-ci ont montr lefficacit de
ce composant pour des applications hyperfrquences ncessitant des tensions et des
puissances leves. De part ses mobilits lectroniques leves et un fonctionnement
aux hautes tempratures exig pour certains dispositifs, les transistors HEMTs laissent
esprer des applications aussi diverses tels que lmetteurs-rcepteurs radar HF,
tlcommunications terrestres, communications par satellite. Les performances de ce
composant dpendent entre autre de la bonne qualit de sa couche active constitue
dune phase hexagonale de type wurtzite qui prsente un champ lectrique interne
important rsultant des proprits de polarisations spontane et pizolectrique du
matriau mme pour des structures non dopes, permettant ainsi de constituer le gaz
bidimensionnel (2-DEG) induit par les effets de polarisation ncessaire au
fonctionnement du composant.
Les travaux dvelopps dans ce mmoire portent sur ltude de leffet thermique
sur les performances statiques du transistor HEMT htrostructure AlGaAn/GaN. En
effet, la chaleur gnre par la puissance dissipe dans la zone active conduit
laugmentation de sa temprature qui se propage principalement par conduction via les
Introduction gnrale
2
contacts ohmiques et/ou via le substrat. Llvation de la temprature dans la zone
active a un impact non ngligeable dans la dgradation de nombreux paramtres
physiques du transistor et en particulier la dgradation de leurs proprits de transport
comme par exemple la mobilit des lectrons ou encore leurs vitesse de saturation. En
consquence, elle constitue l'un des principaux facteurs limitant les performances
physiques et lectriques des FETs et son influence sur la fiabilit de ce composant est
peu connue.
Ce mmoire se divise en trois chapitres :
Le premier chapitre est destin la description gnrale des semi-conducteurs III-
N, les transistors effet de champ grille Schottky et au principe de fonctionnement du
HEMT conventionnel. Il tablie un tat de l'art de la filire HEMT en termes de
performances dynamique et lectriques pour diffrentes longueurs de grille.
Le second chapitre, est consacr l'tude du transistor HEMT AlGaN/GaN ainsi
qu la description de lapproche bidimensionnelle physico-thermique utilise, base sur
la mthode des lments finis. Dans cette optique, nous prsentons les quations
diffrentielles utilises, le couplage du modle physique avec le modle thermique.
Le troisime chapitre, expose les rsultats de simulation obtenus concernant les
performances lectriques et thermiques du HEMT. Cette modlisation permet une
caractrisation DC fournissant des informations sur le comportement statique du HEMT
htrostructure AlGaN-GaN sur substrat 4H-SiC telles que les caractristiques
courant-tension, les distributions du potentiel, la concentration en lectrons et la
temprature du rseau, ainsi que l'influence de certains paramtres technologiques sur le
fonctionnement des transistors.
Enfin, une conclusion et des orientations pour des travaux futurs sont tablies la
fin de ce mmoire.
Chapitre I Filires technologiques et volution du HEMT vers une structure base de GaN
4
I-1 Introduction
Ce chapitre prsente les caractristiques physiques et thermiques des matriaux III-
N ainsi que les polarisations dans ces matriaux. Il discute dans le paragraphe I-2 les
atouts de ces diffrents matriaux pour la conception des composants effet de champ
aux applications hyperfrquences.
Ensuite, les diffrents types des composants effet de champ cest--dire le
MESFET et le HEMT sont prsents dans le paragraphe I-3. En fait, ce paragraphe
prsente ces composants du point de vue structure et principe physique. Puis, il dtaille
leur fonctionnement physique et lectrique et prcise leur performance actuelle.
I-2 Principales proprits des matriaux III-N
Les matriaux semi-conducteurs III-N sont des bons candidats pour la fabrication
de transistors HEMTs. Comme ils prsentent plusieurs avantages tels que la large bande
interdite, une grande stabilit chimique [1], des proprits mcaniques exceptionnelles
ainsi que dautres proprits physiques remarquables. Ces semi-conducteurs possdent
les qualits indispensables pour fabriquer des composants de puissance.
I-2-1 Structure cristalline
Le nitrure de gallium cristallise sous deux formes diffrentes intressantes pour la
microlectronique, mais galement pour loptolectronique. La premire forme
cristalline correspond la structure hexagonale (structure wurtzite) [2]. La seconde est
la forme cubique (structure zinc-blende) [3]. Nous nous intresserons principalement
la structure wurtzite qui reste la plus stable et donc la plus utilisable. La structure
wurtzite a une maille lmentaire hexagonale de paramtres de maille a = 0,3188 nm et
c = 0,5185 nm [2] temprature ambiante (figure I.1). La maille lmentaire contient
six atomes de chaque type. Elle est compose de deux sous rseaux hexagonaux
imbriqus lun dans lautre, o chaque type datome est dcal suivant laxe c de 62 %
de la maille lmentaire.
Chapitre I Filires technologiques et volution du HEMT vers une structure base de GaN
5
I-2-2 Structure de bande
Les bandes d'nergie donnent les tats d'nergie possibles pour les lectrons et les
trous en fonction de leur vecteur d'onde. Elles se dcomposent en bandes de valence et
bandes de conduction (figure I.2) [5]. Nous les reprsentons dans l'espace rciproque
pour simplifier suivant des directions de plus hautes symtries. La densit dtats est
reprsente au centre de la premire zone de Brillouin.
(a) (b)
Figure I.1 : Reprsentation du rseau cristallin du GaN dans sa structure hexagonale
de type wurtzite [4].
Figure I.2 : (a) Structure de bandes et densit dtats du w-GaN et (b) Schmatisation de la
premire zone de Brillouin dans un cristal de w-GaN.
Chapitre I Filires technologiques et volution du HEMT vers une structure base de GaN
6
L'allure gnrale des bandes est la mme pour tous les composs III-N considrs.
La structure de bandes est directe, c'est--dire que le maximum de la bande de valence
et le minimum de la bande de conduction sont situs au centre de la zone de Brillouin (k
= 0). Le minimum central de la bande de conduction correspond des lectrons ayant
une faible masse effective, donc trs 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 lectrons y ont une masse effective plus grande et donc
une plus faible mobilit.
Les principales proprits physiques des deux composs binaires cest--dire le
nitrure daluminium (w-AlN) et le nitrure de gallium (w-GaN), sont regroups dans le
tableau I-1 et compares celles du silicium(Si), du carbure de silicium (4H-SiC) et de
larsniure de gallium (GaAs).
Matriaux w-AlN w-GaN Si 4H-SiC GaAs
Bande interdite (eV) 6,1 3,4 1,12 3,3 1,43
Champ de claquage (V/cm) 1,8x106 5 x106 3x105 2,2x106 4x105
Conductivit thermique (W/mK) 285 150 150 490 46
Vitesse de saturation (cm/s) 1,4x107 1,8x107 1x107 2x107 0,9x107
Permittivit relative 8,5 9 12 9,66 11,5
Masse effective de llectron
(x m0)
0,4 0,2 1,06 0,29 0,066
Tableau I-1 : Rcapitulatif de quelques proprits physiques importantes de diffrents
semi-conducteurs AlN, GaN, Si, SiC et GaAs temprature ambiante [6].
Chapitre I Filires technologiques et volution du HEMT vers une structure base de GaN
7
Les matriaux AlN et GaN sont donc des matriaux trs prometteurs compte tenu
de leurs excellentes proprits, adquates pour les applications de tlcommunications.
titre indicatif, il semble intressant de comparer les proprits lectriques de cette
famille de matriaux III-N avec celles de la filire GaAs, qui constitue lheure
actuelle, celle qui est la plus utilise par les fonderies compte tenu de sa maturit pour le
dveloppement de composants et circuits de puissance hyperfrquence (tableau I.1). Il
ressort de ces indications que les lments nitrurs de par leurs gaps importants leurs
conductivits thermiques satisfaisantes et leurs champs de claquages levs, prsentent
de nombreux avantages pour ce type dapplications. Associes une vitesse de
saturation des porteurs deux fois suprieure celle du GaAs, leurs potentialits en font
des candidats de choix pour les applications de puissance hyperfrquence.
I-2-3 Effets de polarisation dans le cristal
Lune des spcificits des composs dlments III-N, compars aux autres
composs III-V tels que larsniure (GaAs par exemple), est lexistence dune
polarisation spontane et dune polarisation pizolectrique [7]. M. Asif Khan et al. [8]
ont t les premiers mettre profit cette proprit pour raliser le premier transistor
AlGaN/GaN en 1993. Aussi, O. Ambacher et al. [9] ont expliqu quantitativement les
effets induits par les polarisations spontane et pizolectrique dans une htrostructure
AlGaN/GaN (dope ou non-dope).
I-2-3-1 Polarisation spontane
Dans une structure cristalline GaN de type wurtzite, les lectrons de la bande de
valence sont plus attirs par lazote que par le gallium cause de sa forte
lectrongativit, on peut constater en considrant la figure I.3. Cette attraction entrane
la dformation de la structure ttradrique et le rapport des paramtres de maille (c/a)
devient plus faible que la valeur attendue (c/a = 1,633). La non-concordance des
barycentres des charges positives et ngatives entrane donc la cration dune
polarisation appele polarisation spontane.
Chapitre I Filires technologiques et volution du HEMT vers une structure base de GaN
8
Plus prcisment, latome de gallium possde quatre atomes dazote voisins. Parmi
ces quatre atomes, trois se trouvent tre dans le mme plan cristallographique
perpendiculaire laxe c et le quatrime se situe quant lui, sur laxe c. Un atome de
gallium associ aux quatre atomes dazote voisins forme un diple tel que :
(I-1)
La figure I.4 (a) montre la contribution des moments dipolaires autour dun atome
de gallium. La somme vectorielle des moments dipolaires , et , forme un
moment dipolaire parallle laxe c, cest--dire, parallle au moment dipolaire
mais de sens oppos (Fig.I.4 (b)). Pour une structure GaN wurzite relaxe, le moment
dipolaire > entrane un vecteur de polarisation spontane =
qui est non nul et dirig suivant laxe de croissance du matriau (0001).
Figure I.3 : Distribution des lectrons de la bande de valence dun atome GaN.
=
Chapitre I Filires technologiques et volution du HEMT vers une structure base de GaN
9
(a) (b)
Leffet de cette polarisation spontane dans le GaN de type wurtzite en volume se
traduit par la cration dune succession de diples lectriques qui sont lorigine du
champ lectrique interne (figure I.5) orient dans la direction oppose laxe de
croissance (0001) et ceci sans excitation extrieur.
Le GaN cristallin possde une symtrie suivant laxe optique c tel que le gradient
de polarisation ) = = 0 ) et la densit de charges en volume soient nuls. La
densit de charges associe en surface est dtermine en crivant lquation de
continuit du vecteur dplacement linterface, soit : = o et sont
respectivement le vecteur de dplacement dans le semi-conducteur et lextrieur de ce
dernier linterface semi-conducteur/air. Comme la densit de charge en volume est
nulle, la relation de continuit scrit :
Figure I.4 : (a) Structure GaN wurtzite et (b) Polarisation spontane dans une structure GaN wurtzite.
Figure I.5 : Charges en surface dune couche GaN wurtzite.
Chapitre I Filires technologiques et volution du HEMT vers une structure base de GaN
10
= = (I-2)
Si le champ extrieur appliqu et/ou ambiant est nul ) = 0), alors lquation
(I-2) se rduit :
= = (I-3)
Les valeurs de la polarisation spontane ( ) pour le GaN, lAlN et lAlxGa1-xN
sont regroupes dans le tableau I-2 [10].
Matriaux w-GaN w-AlN AlxGa1-xN
/ 1,6259 1,6010 -0,0249x-1,6259
(C/m2) -0,029 -0,081 -0,052x-0,029
En conclusion, un chantillon de GaN wurtzite pitaxi suivant laxe c, prsente
sur chacune de ses deux faces, des densits de charge fixes identiques mais de signes
opposs, valeur de polarisation spontane dans le GaN, lAlN et lAlxGa1-xN.
I-2-3-2 Polarisation pizolectrique
Tous les composs III-V non centro-symtriques sont pizolectriques. En ce qui
concerne la filire nitrure de gallium, cette pizolectricit est trs importante car la
liaison III-N est fortement polaire. Les lectrons sont essentiellement localiss sur
latome dazote. La pizolectricit est laptitude produire une charge lectrique
proportionnelle une contrainte lastique (en tension ou en compression). Ce
phnomne est rversible. Son origine rsulte de la brisure de la symtrie du cristal. En
effet, lexistence de diples lectriques internes provient de la sparation lchelle de
la maille, du centre de gravit des charges positives et ngatives sous laction dune
contrainte extrieure.
Le tableau I-3 prsente les paramtres de polarisation pizolectrique pour les
matriaux base de semi-conducteur III-N large bande interdite [11].
Tableau I-2 : Valeurs de la polarisation spontane dans le GaN, lAlN et lAlxGa1-xN.
Chapitre I Filires technologiques et volution du HEMT vers une structure base de GaN
11
Matriaux AlN GaN AlxGa1-xN
e31 (C/m2) -0,60 -0,49 -0,11x - 0,49
e33 (C/m2) 1,46 0,73 0,73x + 0,73
c11 (C/m2) 396 367 29x + 367
c12 (C/m2) 137 135 2x + 135
c13 (C/m2) 108 103 5x + 103
c33 (C/m2) 373 405 -32x + 405
Dans le cas o la couche de GaN est soumise une contrainte biaxiale en tension
( > 0). Le rapport c / dcrot crant une polarisation pizolectrique dans le mme
sens que la polarisation spontane (figure I.6 (a)). Au contraire, si elle est soumise une
contrainte compressive ( < 0): le rapport c / augmente crant une polarisation
oppose la polarisation spontane (figure I.6 (b)).
I-3 Les transistors effet de champ pour les applications
hyperfrquences
I-3-1 Gnralits
Le transistor effet de champ dnomm FET (Field Effect Transistors) ou TEC a
t invent la fin des annes 1920 par J. E. Lilenfeld [12], mais na put tre ralis
Tableau I-3 : Coefficients pizolectriques et lastiques dAlN, de GaN et dAlxGa1-xN.
Figure I.6 : Sens de la polarisation pizolectrique dans le GaN pour deux contraintes donnes :
(a) en tension et (b) en compression.
Chapitre I Filires technologiques et volution du HEMT vers une structure base de GaN
12
avant la fin des annes 1950, celui-ci repose sur le fonctionnement dun dispositif semi-
conducteur unipolaire cest--dire quil y a un seul type de porteur qui intervient dans le
fonctionnement du composant.
Donc pour une utilisation aux hautes frquences, il est prfrable que le type de
porteur soit celui qui prsente les meilleures proprits de transport (mobilit, vitesse et
coefficient de diffusion), les lectrons ayant des proprits plus intressantes que les
trous. Les FET sont essentiellement labores sur des matriaux de type N. Les divers
types de transistors effet de champ diffrent par la nature du contact de grille labor,
dont nous citons.
J-FET : gille jonction PN.
MOSFET : grille mtallique isole de la couche active par un oxyde.
MESFET : grille mtallique Schottky.
HEMT : grille mtallique Schottky.
I-3-2 Le MESFET : TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP A CONTACTSCHOTTKY
Le MESFET (MEtal Semi-conducteur Field Effect Transistor) fut le premier
composant tre fabriqu partir d'un compos III-V. En 1966 Carver Mead [13]
proposa en premier lieu de remplacer le Silicium des premiers FET par un semi-
conducteur III-V tel que l'Arsniure de Gallium (GaAs), puis ralis par Hoop [14].
Cette volution au niveau matriau a permis l'utilisation des MESFETs aux frquences
micro-ondes, et depuis cette date de nombreux travaux ont t effectus pour raliser
des transistors de plus en plus performants base de matriau grand gap. Les premiers
rsultats obtenus avec un MESFET au carbure de silicium (4H-SiC) datent de 1994.
La structure du Transistor effet de champ contact Schottky repose sur une
couche active (canal) directement implante dans le substrat semi-isolant. Ensuite, la
grille en mtal rfractaire est dpose pour matrialiser le contact Schottky. Puis les
zones N+ sont implantes en se servant du mtal comme d'un masque pour obtenir deux
zones d'accs auto alignes sur la grille.
Chapitre I Filires technologiques et volution du HEMT vers une structure base de GaN
13
La figure I.7 prsente une coupe schmatique d'un MESFET. La structure
prsente met en vidence les diffrentes couches utilises pour sa ralisation. La
couche active est gnralement une couche du type N qui repose sur un substrat semi-
isolant. Les contacts de source et de drain sont des contacts ohmiques contrairement au
contact Schottky de grille.
I-3-3 Le HEMT : HIGHT ELECTRON MOBILITY TRANSISTOR
Le transistor HEMT apparait comme une volution majeure du MESFET. La
diffrence est que le HEMT utilise une htrojonction, cest dire une jonction entre
des matriaux ayant des bandes dnergie diffrentes, de manire faire passer les
lectrons constituant le courant drain-source dans un semi-conducteur non-dop, afin de
diminuer le temps de transit et donc augmenter les performances en frquence. La
vitesse des lectrons est en effet dautant plus grande que le dopage du semi-conducteur
est faible, car la dispersion dimpurets ionises est rduite [15].
I-3-3-1 Historique du transistor HEMT
Le transistor HEMT (High Electron Mobility Transistor) encore appel dans la
littrature TEGFET (Two Electron Gas Field Effect Transistor) ou MODFET
(Modulation Doped Field Effect Transistor), ou encore SDHT (Selectively Doped
Heterojunction Transistor), a t conu et ralis simultanment au sein de deux
laboratoires, par Thomson en France et par Fujitsu au Japon en 1980.
Figure I.7 : Vue en coupe du MESFET implant auto-align.
Chapitre I Filires technologiques et volution du HEMT vers une structure base de GaN
14
En 1985, le HEMT est prsent comme un composant micro-onde unique ayant les
plus faibles caractristiques en bruit au monde. Initialement, ce transistor tait utilis
dans un radiotlescope Nobeyama, Japon, qui prsente un diamtre de 45 mtres. En
refroidissant le composant la temprature de lhlium liquide, il est possible de capter
un signal provenant dune molcule interstellaire situe mille annes lumires de la
Terre. Plus tard, le HEMT sera implant dans des rcepteurs de tlvision pour capter
les signaux des satellites gostationnaires (36000 km daltitude). Puis petit petit, ce
composant se fera une place dans notre quotidien. Le HEMT constitue une volution
majeure du MESFET (Fet jonction mtal/semi-conducteur) et a pris le pas sur ce
dernier depuis le dbut des annes 1990.
I-3-3-2 Principe de fonctionnement du transistor HEMT classique
Lide de base lorigine de ce composant est dutiliser comme canal conducteur
dun transistor effet de champ, un gaz bidimensionnel (gaz-2D) dlectrons circulant
dans un matriau peu dop et rsultant de loccupation des niveaux dnergie du puits
de potentiel caractristique dune htrojonction.
I-3-3-3 Les diffrentes couches dun transistor HEMT AlGaAs
/GaAs classique
Dans sa forme la plus classique, le HEMT est ralis par dpt sur un substrat de
GaAs, de couches de matriaux dont les paramtres de maille sont compatibles.
Lpitaxie par jet molculaire (MBE) et lpitaxie en phase gazeuse par la mthode des
organomtalliques (MOCVD), sont les techniques les plus utilises pour le dpt des
couches [16].
On fait croitre les couches les unes sur les autres dans lordre expos au niveau de
la structure prsente dans la figure I.8. On dpose donc, sur un substrat semi-isolant en
GaAs, une couche de GaAs non intentionnellement dope (NID) ou lgrement dope
P-, dpaisseur infrieure 1m. Un buffer doit tre plac entre le substrat et le
canal, afin de passer graduellement dun paramtre de maille lautre. On dpose
ensuite une couche de AlGaAs fortement dope N+ et dont lpaisseur peut atteindre
quelques centaines dangstrms. Cest sur cette couche que lon ralise les lectrodes
Chapitre I Filires technologiques et volution du HEMT vers une structure base de GaN
15
mtalliques de source et drain base dun alliage Nickel-Germanium-Or. Llectrode de
grille est ralise laide dun alliage Titane-Platine-Or.
Le HEMT classique AlGaAs/GaAs se compose, comme le montre la figure I.8 dun
empilement de plusieurs couches semi-conductrices :
La couche GaAs n+ : cest une couche superficielle "cap Layer" et elle nexiste pas
sous la grille ; elle est forme par un matriau de faible bande interdite pour permettre la
ralisation des contacts ohmiques de source et de drain. Cette couche est gnralement
fortement dope afin de diminuer la valeur des rsistances de contact et donc celle des
rsistances d'accs.
La couche AlGaAs : La couche grand gap non dope est destine la ralisation du
contact Schottky de grille, qui est dpos aprs gravure de la couche superficielle (foss
de grille ou "recess"). Le "recess" de grille consiste rduire lpaisseur de la couche
barrire sous la grille. Dans des conditions de fonctionnement optimal, cette couche doit
tre compltement dserte et aucun courant parasite celui du canal ne doit y circuler.
La couche donneuse AlGaAs dope : Cette couche de matriau grand gap dope a
pour rle de fournir les lectrons libres la structure. Les progrs technologiques en
matire dpitaxie par jet molculaire permettent davoir des dopages planaires ()
Figure I.8: Schma de principe du HEMT classique AlGaAs/GaAs.
Chapitre I Filires technologiques et volution du HEMT vers une structure base de GaN
16
gnralement ralis par un plan de dopage silicium (Si). Ces dopages () ont
lavantage de positionner les atomes donneurs prs de linterface qui permet davoir une
plus forte concentration dlectrons dans le gaz bidimensionnel, cette technique permet
de rduire la distance grille-canal (d) et damliorer le contrle des porteurs sous la
grille [17].
Espaceur: "spacer" en anglais, est une couche de matriau non intentionnellement
dope (AlyGa1-yAs) insre entre le puits quantique et la barrire de telle sorte davoir
un empilement de (AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs/GaAs), cette couche assure lisolation
spatiale entre les atomes donneurs dans la couche barrire (charges positives fixes dans
AlGaAs) et les lectrons (charges ngatives dans le GaAs) dans le puits quantique
susceptibles de participer la conduction dans le canal, pour rduire linteraction
coulombienne entre eux, et ainsi amliorer les proprits de transport des lectrons. Plus
cette couche nest paisse, meilleure sera la mobilit des lectrons dans le canal. Donc il
faut que l'paisseur de cette couche soit choisie de telle sorte que la mobilit soit
optimale tout en ayant une densit relativement importante de porteurs.
La couche AlGaAs non dope et le canal : le canal est situ linterface de la couche
de matriau petit gap non intentionnellement dop. Cette couche, importante dans la
mesure o elle reoit le gaz bidimensionnel d'lectrons qui constitue le canal, dtermine
les performances du composant travers les proprits de transport des lectrons qui la
composent. Elle est spare du substrat par une couche tampon non intentionnellement
dope.
La couche tampon: couramment appele "buffer", elle permet d'amliorer le
confinement des lectrons dans le canal en rduisant l'injection des porteurs vers le
substrat. Cette couche permet galement dliminer les imperfections du substrat, afin
d'avoir un matriau de bonne qualit cristallographique ncessaire la croissance des
couches suprieures. En effet, le paramtre essentiel qui conditionne une pitaxie de
qualit est la diffrence de maille entre le substrat et le cristal de GaAs.
Le substrat semi-isolant (GaAs): les couches cites ci-dessus peuvent potentiellement
fonctionner des tempratures bien suprieures leur limite pratique. Linsuffisance de
la valeur de la rsistivit du substrat entrane lexistence dun courant de fuite important
ce qui augmente inutilement haute temprature la consommation nergtique des
circuits intgrs. Lutilisation dun substrat plus isolant permet donc de rduire ce
problme. Le choix du substrat doit se faire sur la base dun compromis entre le niveau
de performances, le cot et la fiabilit du dispositif.
Chapitre I Filires technologiques et volution du HEMT vers une structure base de GaN
17
I-3-3-4 Origine de fonctionnement dun transistor HEMT AlGaAs
/GaAs
La structure des couches du HEMT est ralise de faon sparer physiquement
les lectrons libres dans le canal des donneurs ioniss, ceci afin daugmenter la mobilit
des lectrons par la rduction de la rpartition des impurets ionises. Ainsi la
diffrence essentielle entre les MESFETs et les HEMTs se situe au niveau du principe
mme du contrle du courant dans le canal. Alors que dans le cas du MESFET,
l'lectrode de grille contrle la section du canal disponible pour la conduction, dans le
cas du HEMT, elle contrle la densit d'un gaz d'lectrons libres dans une zone non
dope situe sous l'htro-interface qui constitue le canal du transistor.
Le gaz dlectrons tant cr, il est possible de contrler la densit de porteurs dans
le canal par lintermdiaire de la tension applique sur la grille. La figure I.9 prsente
les diagrammes de bande de la zone situe sous la grille en fonction de la polarisation de
grille applique. Lorsque la tension Vgs augmente, le puits de potentiel devient de plus
en plus profond, permettant un nombre plus grand dlectrons de diffuser dans le
GaAs. Comme pour le MESFET, la tension Vds cre un champ lectrique dans le canal
qui entrane les lectrons de la source vers le drain formant ainsi un courant Ids (drain-
source). Pour des tensions de grille suffisamment ngatives la densit de porteurs dans
le canal devient ngligeable et aucun courant significatif ne circule dans le canal. Le
HEMT est alors pinc.
Lvolution du courant de drain en fonction de la tension de drain et pour
diffrentes valeurs de la tension de grille est sensiblement la mme que pour le
MESFET. De plus, un effet de saturation de courant intervient galement pour le
HEMT. Il provient de la limite de vlocit des lectrons.
Chapitre I Filires technologiques et volution du HEMT vers une structure base de GaN
I-3-3-5 Les limitations de la technologie base dArsniure de
Gallium appliqus la fabrication
On observe plusieurs sortes de limitations lies 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
nergie de bande interdite faible. Toutefois, le GaAs et dautres matriaux comme le
silicium sont utiliss beaucoup trop prs de leurs limites physiq
particulier aux niveaux des densits de puissances fournies.
Dans un second temps, la limitation qui est sans doute la plus connue est leffet
MESFET parasite, Ce nom fait rfrence du fait que la conduction dans un MESFET
sopre directement dans la couche situe sous la grille. Cest de cette manire que
leffet MESFET parasite se manifeste dans un transistor HEMT.
Au vues de ces inconvnients, il a t ncessaire de tourner vers une technologie
plus efficace afin de palli
performances du transistor. Ainsi, les proprits intressantes des matriaux de types
Nitrures ont attir lattention des chercheurs vers une perspective nouvelle, celle de
changer de matriau voire de structure afin de reproduire le fonctionnement de lHEMT
Figure I.9 : Influence de la polarisation de grille sur le diagramme des bandes de lhtrojonction.
Filires technologiques et volution du HEMT vers une structure base de GaN
Les limitations de la technologie base dArsniure de
appliqus la fabrication de transistor HEMT
On observe plusieurs sortes de limitations lies directement la structure du
Elles ont un impact direct sur les performances du transistor aussi bien du
statique que dynamique. Dans un premier temps, les HEMTs en GaAs
semblent avoir atteint leurs limites concernant les performances en puissance, et une
nergie de bande interdite faible. Toutefois, le GaAs et dautres matriaux comme le
silicium sont utiliss beaucoup trop prs de leurs limites physiques ultimes, en
particulier aux niveaux des densits de puissances fournies.
Dans un second temps, la limitation qui est sans doute la plus connue est leffet
MESFET parasite, Ce nom fait rfrence du fait que la conduction dans un MESFET
irectement dans la couche situe sous la grille. Cest de cette manire que
leffet MESFET parasite se manifeste dans un transistor HEMT.
Au vues de ces inconvnients, il a t ncessaire de tourner vers une technologie
afin de pallier tous les problmes qui limitent trs fortement les
ransistor. Ainsi, les proprits intressantes des matriaux de types
lattention des chercheurs vers une perspective nouvelle, celle de
de structure afin de reproduire le fonctionnement de lHEMT
Influence de la polarisation de grille sur le diagramme des bandes de lhtrojonction.
Filires technologiques et volution du HEMT vers une structure base de GaN
18
Les limitations de la technologie base dArsniure de
ectement la structure du
Elles ont un impact direct sur les performances du transistor aussi bien du
les HEMTs en GaAs
semblent avoir atteint leurs limites concernant les performances en puissance, et une
nergie de bande interdite faible. Toutefois, le GaAs et dautres matriaux comme le
ues ultimes, en
Dans un second temps, la limitation qui est sans doute la plus connue est leffet
MESFET parasite, Ce nom fait rfrence du fait que la conduction dans un MESFET
irectement dans la couche situe sous la grille. Cest de cette manire que
Au vues de ces inconvnients, il a t ncessaire de tourner vers une technologie
er tous les problmes qui limitent trs fortement les
ransistor. Ainsi, les proprits intressantes des matriaux de types
lattention des chercheurs vers une perspective nouvelle, celle de
de structure afin de reproduire le fonctionnement de lHEMT
Influence de la polarisation de grille sur le diagramme des bandes de lhtrojonction.
Chapitre I Filires technologiques et volution du HEMT vers une structure base de GaN
19
tout en se dsolidarisant des dsagrments physiques provoqus par la structure du
transistor en Arsniure de Gallium.
I-3-4 Le Transistor HEMT en technologie GaN
Les transistors HEMTs en Nitrure de Gallium possdent de nombreux avantages.
Trs utiliss dans le domaine de tlcommunications. Le HEMT GaN est trs apprci
pour ses proprits semi-conductrices et aussi pour les applications de forte puissance
Les principaux avantages du HEMT AlxGa1-xN /GaN par rapport ses concurrents
sont:
Un gap important.
Tension de claquage lev.
Une conductivit thermique consquente.
Meilleure mobilit lectrique.
Le but de la structure d'un HEMT est de sparer les lectrons libres de la couche de
semi-conducteur contenant des impurets afin d'augmenter la mobilit des lectrons.
Pour cela un matriau GaN gap relativement faible est mis en contact avec le matriau
ternaire AlxGa1-xN grand gap.
I-3-4-1 Dfinition de la structure par couche du transistor HEMT
GaN
La structure dun transistor HEMT en Nitrure de Gallium est trs semblable celle
dun transistor dont le matriau semi-conducteur est lArsniure de Gallium malgr
plusieurs diffrences nettes. On prsente une structure typique de transistor HEMT
AlGaN/GaN la figure I.10.
Chapitre I Filires technologiques et volution du HEMT vers une structure base de GaN
20
Ce transistor est constitu de trois lectrodes : la grille, la source et le drain. Le
contact li au dpt de llectrode de grille est un contact de type Schottky. Quant aux
lectrodes de source et de drain, il sagit de contacts ohmiques.
Cest un transistor dont la structure est horizontale. Chacune des couches le
constituant nest pas dop ou ne lest pas intentionnellement. Cset pourquoi il faudra
quand mme tenir compte dun dopage rsiduel prsent dans chacune des couches semi-
conductrices du transistor HEMT GaN [18].
la lumire de la figure I.10, on note principalement trois couches principales :
Les lectrodes de source et de drain ne sont pas en surface. Elles sont directement
encastres dans la structure pour tre en contacte avec le canal dlectrons.
La barrire AlxGa1-xN fait quelques dizaines de nanomtres. x reprsente la fraction
molaire ou pourcentage en Aluminium du compos ternaire. La diffrence de gaps entre
ce compos ternaire et le matriau en Nitrure de Gallium cre une htrojonction dans
laquelle les lectrons seront confins afin de constituer le gaz bidimensionnel
dlectrons plus connu sous le nom de 2DEG.
La couche de nitrure de gallium est place juste au dessous de la couche ternaire. Elle
contient le 2DEG dlectrons dans sa partie suprieure, rpartis sur une paisseur de
quelques nanomtres.
Figure I.10 : structure dun transistor HEMT AlxGa1-xN/GaN.
Chapitre I Filires technologiques et volution du HEMT vers une structure base de GaN
21
Afin de constituer le substrat, un support en silicium peut tre utilis. Cest sur celui-ci
que sera ralis le composant.
Lutilisation dun buffer en nitrure dAluminium plac entre le substrat et la couche de
GaN sera requise de manire passer graduellement de laccord de maille du GaN vers
celui du Si et inversement (cela nest pas prcis sur la figure I.10 mais cset une tape
trs importante dans la ralisation du composant).
Enfin, on pourra avoir recours lutilisation dune couche supplmentaire dite de
passivation afin disoler la barrire de lextrieur. En effet, le matriau ternaire possde
de laluminium fortement oxydable quand il est en contact avec lair. Afin dviter cela
et confrer au composant un fonctionnement optimal, on dpose une couche semi-
conductrice compose de GaN ne possdant pas dAluminium. cela nest pas indiqu
sur la figure I.10. Ce nest pas une tape systmatique mais elle est fortement conseille.
Avant dexpliquer la manire dont le gaz bidimensionnel sest form, il est
ncessaire dexpliquer clairement le mode de conduction du transistor HEMT GaN. Et
pour cela, il faut analyser prcisment le diagramme des bandes dnergie associ
cette structure.
I-3-4-2 Diagramme des bandes de la structure HEMT AlGaN/GaN
et fonctionnement de celui-ci
On dpose une couche de matriau ternaire AlxGa1-xN sur une couche de GaN. Ces
deux matriaux ont des largeurs de bande interdite diffrentes. Dans notre structure, le
matriau ternaire possde le plus grand gap, il est de 3.96 eV pour Al0,3Ga0,7N. Le GaN,
quant lui, possde un gap plus faible : 3,39 eV. Cest la juxtaposition de ces deux
couches qui cre la discontinuit des bandes de conduction et de valence au niveau du
diagramme des bandes. Elle est prsente aux figures I.11 et I.12 ci-dessous.
Chapitre I Filires technologiques et volution du HEMT vers une structure base de GaN
22
Niveau du vide
La diffrence de gaps est ici flagrante, le puits de potentiel sera donc situ du ct
du matriau faible gap comme nous le montre la figure I.11.
Daprs les rgles dveloppes en 1960 par R.L. Anderson [19] et qui permettent
de construire les diagrammes nergtiques associs aux structures htrojonctions, les
niveaux de Fermi des matriaux doivent saligner. Cela occasionne une discontinuit
des bandes de valence et de conduction tant donn que le niveau de rfrence (niveau
du vide) doit rester rigoureusement continu. Aussi, les bandes de conduction, de valence
et du vide doivent rester parallle entre elles tout en respectant les rgles dcrites ci-
dessus. On obtient alors le diagramme des bandes ci-dessous.
Ec
Ev
Ec
Ev
Figure I.11 : Diagrammes des bandes dnergie des matriaux constituent lHEMT
GaN (pris sparment) lquilibre thermodynamique.
Figure I.12 : Diagrammes des bandes aprs jonction des deux couches qui constituent
lHEMT AlGaN/GaN lquilibre thermodynamique.
Chapitre I Filires technologiques et volution du HEMT vers une structure base de GaN
23
I-3-4-3 Etat de lart du transistor HEMT en GaN daprs lITRS
La technologie sur Nitrure de Gallium est encore jeune et en constant
dveloppement. Beaucoup des travaux de recherches ont t publis, des transistors de
plus en plus performants sont raliss.
Aujourd'hui, la technologie HEMT III-N est un domaine de recherche trs actif et a
rcemment t intgre la feuille de route de lITRS (International Technology
Roadmap for Semi-conductors) [20]. Le Tableau I4 recense l'tat de l'art des
transistors HEMTs sur nitrure de gallium ports ce jour.
Year of production
GaN HEMT
2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021
Gate length (nm) 150 100 100 100 70 70 70 50 50 50 50
Low Noise
Ft (GHz) 120 160 160 160 200 200 200 240 240 240 240
Operating voltage(V) 5 4 4 4 3 3 3 3 3 3 3
Gm (S/mm) 0,4 0,55 0,55 0,55 0,65 0,65 0,65 0,7 0,7 0,7 0,7
Fmin(dB) at 10 GHz 1 0,8 0,8 0,8 0,6 0,6 0,6 0,5 0,5 0,5 0,5
Associated Gain at 10
GHz
15 16 16 16 17 17 17 18 18 18 18
Fmin(dB) at 24 GHz 1,2 1 1 1 0,8 0,8 0,8 0,6 0,6 0,6 0,6
Associated Gain at 24
GHz
13 14 14 14 15 15 15 16 16 16 16
Fmin(dB) at 60 GHz 2 1,7 1,7 1,7 1,5 1,5 1,5 1,3 1,3 1,3 1,3
Associated Gain at 60
GHz
9 10 10 10 11 11 11 12 12 12 12
Fmin(dB) at 94 GHz 2,8 2,5 2,5 2,5 2,2 2,2 2,2 2 2 2 2
Associated Gain at 94
GHz
8 9 9 9 10 10 10 11 11 11 11
Power
Chapitre I Filires technologiques et volution du HEMT vers une structure base de GaN
F max (GHz) 200
Breakdown(volts)@Vd=
1mA/mm 45
I max (ma/mm) 1200
Gm (S/mm) 0,36
Pout at 10 GHz and peak
Efficiency (mW/mm) 5000
Peak efficiency at
10GHz (%) 65
Gain at 10 GHz, at PldB
(dB)
14
Pout at 24 GHz and peak
Efficiency (mW/mm) 4500
Peak efficiency at
24GHz (%) 55
Gain at 24 GHz, at PldB
(dB)
12
Pout at 60 GHz and peak
Efficiency (mW/mm) 3500
Peak efficiency at
60GHz (%) 32
Gain at 60 GHz, at PldB
(dB)
8
Pout at 94 GHz and peak
Efficiency (mW/mm) 2000
Peak efficiency at
94GHz (%) 25
Gain at 94 GHz, at PldB
(dB)
7
Pout at 220 GHz and
peak
Efficiency (mW/mm)
Peak efficiency at
220GHz (%)
Gain at 220GHz, at PldB
(dB)
Tableau I-4 : tat de l'art des transistors HEMTs sur nitrure de
Manufacturable solutions exist, and are being optimized
Manufacturable solutions are NOT known
Manufacturable solutions are known
Filires technologiques et volution du HEMT vers une structure base de GaN
250 250 250 320 320 320 350
40 40 40 35 35 35 30
1350 1350 1350 1450 1450 1450 1500
0,5 0,5 0,5 0,65 0,65 0,65 0,7
5000 5000 5000
55 55 55
13 13 13
3500 3500 3500 3750 3750 3750 3750
38 38 38 40 40 40 40
9 9 9 10 10 10 11
2200 2200 2200 2500 2500 2500 3000
28 28 28 30 30 30 35
8 8 8 9 9 9 10
1200 1200 1200 1200 1200
20 24 24 24 28
6 7 7 7 8
de l'art des transistors HEMTs sur nitrure de gallium III
Manufacturable solutions exist, and are being optimized
Manufacturable solutions are NOT known
Manufacturable solutions are known
Filires technologiques et volution du HEMT vers une structure base de GaN
24
350 350 350
30 30 30
1500 1500 1500
0,7 0,7 0,7
3750 3750 3750
40 40 40
11 11 11
3000 3000 3000
35 35 35
10 10 10
1200 1200 1200
28 28 28
8 8 8
gallium III-N.
Chapitre I Filires technologiques et volution du HEMT vers une structure base de GaN
25
I-4 Conclusion
Dans ce chapitre, nous avons prsent les principaux matriaux semi-conducteurs
comme par exemple le silicium et les matriaux III-N, utiliss dans la fabrication des
composants micro-ondes tout en prcisant leurs caractristiques physiques et leurs
proprits lectroniques. Les polarisations spontane et pizolectrique dans les
matriaux III-N ont t aussi prsentes. Ensuite, nous avons rsum les caractristiques
gnrales du HEMT conventionnel sur GaAs. En outre, nous avons insist sur le choix
de la technologie Nitrure de Gallium qui intervient dans la ralisation du transistor
HEMT, ainsi que les diffrentes couches constituant le transistor HEMT AlGaN/GaN
en mettant profit les proprits des matriaux de la filire Nitrure de Galium.
Chapitre II Modlisation physico-thermique du HEMT en GaN
27
II-1 Introduction
Laugmentation de la densit dintgration et la fabrication des fonctions
lectroniques intgres sur substrat de taille rduite augmentent la dissipation dnergie
et amplifient les problmes de dissipation thermique. Cette drive en temprature peut
avoir un impact important sur les performances physiques et lectriques des
composants, circuits et systmes lectroniques. Elle constitue donc l'un des principaux
thermique limitant leurs performances. En effet llvation de la temprature dans la
zone active a un impact non ngligeable dans la dgradation de nombreux paramtres
physiques des transistors et en particulier la dgradation de leurs proprits de transport.
Ce chapitre propose un modle physico-thermique dvelopp pour le transistor
HEMT en GaN pour comprendre la distribution de la temprature de rseau dans ce
composant et analyser les effets lis laugmentation de la temprature sur leurs
performances statiques.
Le paragraphe II-2 prsente les polarisations dans le transistor HEMT
htrostructure AlGaN/GaN. La quantit de charge linterface AlGaN/GaN est
prsente dans les paragraphes II-3 et II-4, ainsi quun modle physico-thermique
dvelopp pour ce transistor est trait dans le paragraphe II-5.
II-2 Polarisation dans les HEMTs AlGaN/GaN
Les transistors HEMTs GaN typiques peuvent possder une densit de charge dans
le canal atteignant plus de 1.1013 charges.cm-2 sans pour autant doper la structure de
manire intentionnelle. En effet, on pourra constater la prsence dun dopage rsiduel de
1.1016 cm-3.
Ceci est d la structure mme du transistor qui est le sige de deux types de
polarisation, la polarisation pizolectrique et la polarisation spontane.
II-2-1 Polarisation pizolectrique
La pizolectricit est une proprit qui possde certains matriaux. Elle a t
dcouverte par Pierre et Paul-Jacques Curie en 1880. Elle se traduit par la polarisation
de ces matriaux sous leffet dune force ou dune contrainte mcanique, cest leffet
Chapitre II Modlisation physico-thermique du HEMT en GaN
28
direct. Leffet inverse peut, par ailleurs, se produire. En effet, lorsque lon applique un
champ lectrique un matriau de nature pizolectrique, il se dforme ce qui souligne
la rversibilit de cet effet. Il est donc ncessaire danalyser et de caractriser cet effet.
Lorsquune couche de matriau AlxGa1-xN est dpose sur une couche de Nitrure
de Gallium, la couche du matriau ternaire est contrainte cause de la diffrence du
paramtre de maille a0 ce qui la soumet la polarisation pizolectrique. Cette
contrainte sur le matriau est dautant plus forte que le pourcentage en aluminium est
fort.
Quand on fait crotre une couche dAlxGa1-xN sur un revtement en nitrure de
gallium face Gallium, le champ lectrique dans le matriau ternaire, gnr par la
polarisation pizolectrique, est orient vers le GaN. Afin de calculer cette polarisation
dans le matriau AlxGa1-xN, on se basera sur les travaux de E. T. Yu et al. [19]. On peut
exprimer cette polarisation selon la manire suivante :
, = 2
+
(II-1)
O :
=
(II-2)
Et
= 2
(II-3)
Notation :
c31 et c33 : constantes dlasticit (paramtres dpendant du pourcentage dAluminium).
: Paramtre de maille du nitrure de gallium.
: Paramtre de maille du matriau ternaire (dpendant du pourcentage
daluminium).
Chapitre II Modlisation physico-thermique du HEMT en GaN
29
et : composantes pizolectriques et tensorielles des matriaux pizolectriques
dont les structures cristallographiques correspondent des cristaux de type Wurtzite.
Tout comme les constantes dlasticit, ces composantes tensorielles sont dpendantes
de la fraction molaire x.
On donne ainsi lexpression analytique de cette polarisation en fonction de x
daprs les travaux extraits de la thse de N.Vellas en 2003 [21] :
() = 2
()
() () ()
()
()/ (II-4)
Avec :
: Paramtre de maille de Nitrure de Gallium (relax : 0% de pourcentage en
aluminium).
() : Paramtre de maille de lAlxGa1-xN contraint.
() = +.0,077) 3,189)
() = .0,11) /(0,49
() = +.0,73) /(0,73
() = +.5) (103
() = +.32) (405
Ces relations linaires donnent lvolution des composantes pizolectriques et
dlasticit dans le compos ternaire en fonction de la fraction molaire. Elles sont tires
de la mme thse de N.Vellas qui sest appuy sur les travaux de Bernardini et al. [22].
Cette polarisation est donc largement dpendante de la quantit daluminium
prsente dans le matriau ternaire ce qui est normal car cest ce compos qui contraint
mcaniquement le matriau par rapport au matriau adjacent en GaN.
Ainsi, lorsque lon connat le pourcentage daluminium, il suffit deffectuer le
calcul pour dterminer la valeur de cette polarisation.
Chapitre II Modlisation physico-thermique du HEMT en GaN
30
Toutefois, la pizolectricit nest pas la seule polarisation quil faut prendre en
compte pour dterminer la quantit de charge qui viendra constituer le gaz
bidimensionnel. En effet, la polarisation spontane soumet les matriaux de type Nitrure
III-V ses effets.
II-2-2 Polarisation spontane
La liaison entre latome de Gallium et latome dAzote composant la paire Ga-N
de nature non-centrosymtrique. Plus prcisment, cela signifie que la plupart des
lectrons de valence se regroupent autour de latome dAzote. Seule une faible partie de
ces lectrons se groupent autour du Ga.
La polarisation spontane est donc la polarisation rsultant de la dissymtrie des
atomes de valence au sein des paires Ga-N qui composent le nitrure de gallium de type
Hexagonal. Elle intervient systmatiquement, que l matriau soit relax ou non.
Si le matriau est soumis aussi une force mcanique qui gnre la polarisation
pizolectrique, alors les deux polarisations se superposent (sans pour autant avoir la
mme direction) et doivent tre prises en compte ensembles.
Selon Bernardini, la relation entre la polarisation spontane au sein des lments de
type Nitrure III-V et la fraction molaire x qui donne le pourcentage en Aluminium est
une relation linaire en fonction de x [8]. Elle est donne par lquation suivante
(valable pour tout x) :
() = .0,052) /(0,029 ( II-5)
On en dduit la valeur de la polarisation spontane dans le matriau GaN :
() = /0,029 ( II-6)
Remarques importantes
On sintressera des matriaux AlxGa1-x et GaN avec une polarit Gallium (ou
face Ga) cest--dire que la polarisation spontane (le vecteur polarisation spontane)
sera oriente vers le substrat ou plus prcisment vers le bas si lon considre la
structure de couche horizontale du transistor HEMT GaN.
Chapitre II Modlisation physico-thermique du HEMT en GaN
31
Quand la polarisation pizolectrique, elle sera oriente suivant le type de
contrainte auquel le matriau est soumis. Cela signifie que cette polarisation sera
oriente vers le substrat si lAlxGa1-xN subit une extension de maille et vers la grille si
lAlxGa1-xN subit une compression de maille.
II-3 Dtermination de la quantit de charge linterface AlGaN/GaN
Le but de ce paragraphe est de dterminer la quantit de charges linterface
AlGaN/GaN qui constituera le gaz bidimensionnel dlectrons et ce, partir de la
superposition de tous les champs occasionns par les deux polarisations prsentes au
sein des deux couches. Dune part, il faudra considrer que ces couches sont polarises
Gallium (polarisation pizolectrique oriente vers le substrat). Dautre part, on se
placera dans le cas idal cest--dire que lon considrera le matriau GaN comme non
contraint.
La couche dAlGaN prsente des charges positives au niveau de sa partie infrieure
et des charges ngatives dans sa partie suprieure. Leur prsence rsulte de laddition
des deux polarisations spontane et pizolectrique orientes vers la mme direction
(vers le substrat). Le nitrure de gallium, quand lui, possde aussi des charges positives
et ngatives ses extrmits mais en quantits moindres ce qui peut sexpliquer par le
fait que le matriau GaN nest pas contraint. Il subit juste leffet de la polarisation
spontane. Par consquent, seules les charges positives et ngatives sont reprsentes
la figure II.1 ci dessous :
Figure II.1 : Rparation des charges et des polarisations pizolectrique et spontane travers
la structure HEMT GaN, cration du 2DEG dans le cas idal.
Polarit Gallium
oriente vers le
substrat
Chapitre II Modlisation physico-thermique du HEMT en GaN
32
Comme on peut le constater sur la figure II.1, lorsque le matriau GaN est relax et
que lon fait croitre lAlxGa1-xN sur le GaN, il se forme une accumulation de charges
positives au niveau de la partie infrieure du matriau ternaire. La quantit de charge +
nest que le rsultat des combinaisons des deux polarisations agissant dans ces deux
matriaux. On donne ci-dessous lexpression analytique de cette quantit de charges :
|| = () + () /() ( II-7)
Les expressions littrales des trois polarisations ci dessus sont donnes dans les
quations dcrites plus haut.
Par ailleurs, la connaissance de ces mmes expressions nous permettrait de tracer
lvolution de ces polarisations en fonction de la fraction molaire x afin de dduire
graphiquement lvolution de en|| fonction de x (toujours dans le cas ou le matriau
GaN est relax).
Par consquent, on donne la figure II.2, lvolution de||. Ces rsultats sont tirs
des travaux de thse de N. Vellas qui a tudi les proprits de la filire GaN et ses
applications la ralisation de transistors HEMT [21].
Figure II.2 : Evolution des polarisations pizolectrique et spontane et de la densit de
charges linterface AlGaN/GaN en fonction de la fraction molaire x.
Chapitre II Modlisation physico-thermique du HEMT en GaN
33
Comme on lattendait, cette quantit augmente avec le taux daluminium. Cela
peut sexpliquer par deux raisons fondamentales :
Le fait daugmenter ce taux augmente par ailleurs lextension de maille
du matriau ternaire. Sa contrainte en tension est donc dautant plus
importante que x croit.
La polarisation spontane de lAlxGa1-xN augmente avec le taux
daluminium (relation linaire).
Par combinaison de ces deux effets, laugmentation de x ne peut quaccroitre la
quantit de charges linterface en question.
Laccumulation de charges positives ainsi calcule doit fondamentalement tre
compense par une quantit de charges oppose pour garantir le respect de la neutralit
lectronique. Cela se traduit donc par la formation de charges ngatives de lautre cot
de linterface cot GaN comme nous le montre la figure II.2 plus haut. Cest ainsi quest
form le gaz bidimensionnel dlectrons obtenu sans dopage intentionnel ce qui
souligne lindniable avantage de la filire GaN.
On parlait de cas idal car le matriau GaN, quand il est relax, ne subit ni
contrainte en compression, ni contrainte en tension qui pourraient tre responsables de
la dgradation de la structure cristalline du matriau en provoquant la formation de
cassures ou de dislocations dans le rseau cristallin. De plus, cette configuration est
idale pour gnrer une grande quantit de charges linterface.
Cependant ce cas est trs rare car lpitaxie parfaite dune telle couche est trs
difficile raliser. Il nest donc pas facile dviter la contrainte. Il nous faut donc
tudier le cas non idal afin de se rapprocher de la ralit.
II-4 Dtermination de la quantit de charge linterface AlGaN/GaN
en GaN contraint en tension
On sait que lAlxGa1-xN avec une polarit Gallium possde un dsaccord de maille
avec le GaN. Il savre que la maille du nitrure de gallium est plus importante que celle
de lAlxGa1-xN quelque-soit x suprieur 0. Le matriau ternaire est donc contraint en
tension ce qui, par consquent, impose le fait que les polarisations spontane et
Chapitre II Modlisation physico-thermique du HEMT en GaN
34
pizolectrique de lAlxGa1-xN sont toutes les deux orientes vers le bas. Quand au
dsaccord de maille entre le GaN (situ juste en dessous du 2DEG) et le buffer en
Nitrure daluminium (AlN), il est de nature diffrente. En effet, lAlN possde une
maille moins grande que le nitrure de gallium, le GaN (face Ga) subit donc une
contrainte en compression. Cest pour cela que la polarisation pizolectrique qui
lhabite est oriente vers le haut du transistor comme nous le montre la figure II.3 du
composant entier.
Par consquent, on note la prsence de quatre interfaces au niveau desquelles les
charges se rpartissent. Ces charges rsultent des polarisations prsentes au sein des
couches de GaN et dAlxGa1-xN qui viennent constituer successivement la couche de
passivation, la barrire et le canal du composant. La figure de gauche montre la
rpartition des charges positives et ngatives gnres par chacune des couches. La
figure de droite (quivalente celle de gauche) montre la rpartition de ces quantits par
lAlxGa1-xN ce qui explique pourquoi on reprsente que les charges positives et
ngatives de la couche du matriau ternaire. Cela nous permet de dterminer la densit
Figure II.3 : Visualisation des diffrentes sortes de polarisations qui agissent au sein de
chacune des couches et de la rpartition des charges aux interfaces.
Chapitre II Modlisation physico-thermique du HEMT en GaN
35
de charge || linterface 3 cot AlGaN qui sera lorigine de la formation du 2DEG
par lectro-neutralit.
Ainsi, lorsque lon considre les orientations de chacune des polarisations agissant
au sein du GaN et de lAlGaN, on peut dterminer lexpression littrale de la densit de
charges || linterface 3:
|| = () + () + () /() (II-8)
Le principe de fonctionnement du transistor HEMT AlGaN/GaN est le mme.
Donc, aprs la formation du gaz bidimensionnel dlectrons linterface AlGaN/GaN
cot GaN. Les lectrons du 2DEG occupent les niveaux dnergie de puits triangulaire
quantique cot GaN et la modulation du niveau de Fermi par laction lectrostatique de
la grille peuple ou dpeuple la population en charges ngatives selon le signe de la
polarisation de grille Vgs. On donne la forme dfinitive du diagramme nergtique de la
structure HEMT AlGaN/GaN, la figure II.4 ci-dessous.
Figure II.4 : Diagramme nergtique de lensemble de la structure du composant.
Interface 1Interface 2
Chapitre II Modlisation physico-thermique du HEMT en GaN
36
Il est possible dtablir un lien entre le diagramme des bandes prsent la figure
II.4 et les charges apparaissant au niveau de la structure prsente droite de la figure
II.3. En effet, les charges dveloppes par les polarisations lintrieur des matriaux
de la structure sont lorigine des courbures des bandes de conduction et de valence de
ce diagramme nergtique :
Laccumulation de charges ngatives linterface 1 cot barrire pourrait
correspondre un dopage de type N. Or le dopage de type N fait dcroitre en
nergie le diagramme des bandes ce qui peut rigoureusement expliquer le fait
que les bandes de conduction et de valence sont en dcroissance dans cette zone.
Laccumulation de charges positives linterface 2 cot barrire, quant elle,
pourrait correspondre un dopage de type P. Cest ce dopage qui fait croitre en
nergie le diagramme des bandes. Cela justifie le fait que les bandes de
conduction et de valence augmentent au niveau de cette interface.
On note, par ailleurs, que la bande de conduction augmente de part et dautre de
la frontire barrire/canal (AlGaN/GaN) au niveau de la discontinuit qui
marque lhtrojonction. Cela sexplique par le fait que le champ lectrique est
continu.
Finalement, on retrouve bien la cassure approximativement triangulaire
lintrieur de laquelle est confin le 2DEG dense dans le canal.
II-5 Modle physico-thermique du HEMT
II-5-1 Modle physico-lectrique du HEMT
La simulation physico-lectrique du transistor HEMT revient dterminer les
potentiels lectriques et les flux de porteurs. Pour dterminer ces quantits, nous
utilisons les deux lois suivantes :
- la loi de continuit, qui permet de dfinir le flux de porteurs et donc le
courant lectrique.
- la loi de Poisson qui permet de dfinir la densit de charges et donc le
potentiel lectrostatique.
Chapitre II Modlisation physico-thermique du HEMT en GaN
37
La loi de continuit du courant :
Les quations de continuits des densits de porteurs libres, lectrons (eq. II-9)
et trous (eq.II-10) [23], reprsentent la continuit des flux de porteurs :
=
+ (II-9)
=
+ (II-10)
et : reprsentent respectivement la densit de courant d'lectrons et de trous.
Rn et Rp : reprsentent respectivement le taux de gnration-recombinaison
d'lectrons et de trous.
p et n : reprsentent respectivement la densit de trous et d'lectrons libres.
et : les taux de gnration pour des lectrons et des trous.
La loi de Poisson :
Cette loi (eq.II-11) relie la densit de charges au potentiel lectrostatique [24].
() = (II-11)
reprsente la permittivit lectrique, le potentiel lectrostatique, et la densit de
charges spatiales locale.
II-5-2 Modle thermique du HEMT
Le principe de la modlisation thermique repose sur la rsolution de l'quation de
diffusion de la chaleur (II.12) [25].
HTkdivt
TC LL
LP
)(
(II-12)
Dans lexpression (II-12), est la masse volumique du matriau en Kg/m3, Cp est
la capacit calorifique massique en J/Kg.K, kL est la conductivit thermique du
matriau en W/m.K.
Chapitre II Modlisation physico-thermique du HEMT en GaN
38
Le terme H indique le terme de la gnration de chaleur qui se manifeste par
l'mission des phonons optiques et acoustiques.
Un modle simplifi pour obtenir le taux de gnration calorifique pour un volume
donn est couramment admis pour les technologies HEMTs [26].
TkEgGREJH B3.
(II-13)
Le premier terme de lexpression (II-13) est leffet Joule d la rsistance
lectrique du semi-conducteur. Ce terme correspond au produit scalaire du vecteur
champ lectrique et celui de la densit de courant. Le second terme reprsente le taux
d'chauffement d aux gnrations (G) et aux recombinaisons (R) non radiatives des
paires lectron-trou, Eg est le gap du semi-conducteur, kB est la constante de Boltzmann
et T est la temprature ambiante [23].
Ainsi, une tude thermodynamique rigoureuse sur la gnration de chaleur dans les
composants semi-conducteurs a t dveloppe par Wachutka [23]. Do la gnration
de la chaleur dans ces composants tels que les HEMTs est due principalement l'effet
Joule. Ce dernier correspond au premier terme de lquation II-13.
II-6 Rsolution numrique par la mthode des lments finis
La mthode des lments finis est trs largement utilise pour ltude des effets
thermiques. Elle permet de transformer un problme quations diffrentielles en un
systme numrique pouvant tre rsolu par des techniques numriques. Cette mthode
consiste diviser la structure tudier, en morceaux de base appels maillage. On
applique chaque lment du maillage les diffrentes quations qui dcrivent le
comportement physique et thermique du dispositif tudi et on dfinit les conditions aux
limites du systme. Le systme d'quations est ensuite rsolu l'aide d'algorithmes
appropris d'analyse numrique [27].
II-6-1 Couplage physico-thermique
Notre modle du transistor HEMT a t dvelopp et conu l'aide du module
ATLAS du simulateur SILVACO. Ce dernier est adapt pour la rsolution des quations
Chapitre II Modlisation physico-thermique du HEMT en GaN
39
diffrentielles couples par la mthode des lments finis. Le modle de drive
diffusion est alors coupl aux quations de transfert de la chaleur.
A l'instant initial, la temprature de rseau est uniforme est gale la temprature
ambiante (T = 300 K). On rsout le modle physique pour dterminer la distribution du
potentiel et la densit d'lectrons dans le composant et plus prcisment dans la couche
active. En mme temps le terme de gnration de chaleur H est calcul et la temprature
du rseau en tout point du composant est dtermine par la rsolution de l'quation de
diffusion thermique. Le modle physique est ensuite rsolu nouveau en utili