Etudes du Field Plate « l’électrode de champ » avec différents topologies

Les composants non passivés ont montrés des tentions de claquage relativement basses de l’ordre de 30-40V.la première possibilité pour pallier ce problème est de passiver le composant, la seconde possibilité pour y parvenir de façon plus efficace encore consiste à déposer une électrode de champ supplémentaire sur la couche de passivation. Cependant, l’effet de cette nouvelle technologie est mal connu. Il donc nécessaire de bien choisir parmi les différents topologie de « Field plate » avec plus de certitudes la topologie adéquate à une fréquence de travail donnée.

La structure du dispositif montrée en Figure I.12 employée par Chini et al [32], après la formation du contact de Grille, une couche de passivation de SiNx à été déposée. Le Field Plate à été alors déposé sur la couche SiNx, juste au-dessus de la grille comme étant une deuxième Grille et qui peuvent être polarisée indépendamment.« LF » représente la langueur du Field plate (distance entre les deux bords Grille-Field Plate).

Figure I.12 : Structure du Field plate employée par Chini et al [32].

Karmalkar et al [33], et défini comme étant une prolongation de la Grille avec Un isolant au-dessous du Field plate, les diélectrique couramment utilisés sont les Nitrures(AlN,Si₃N₄,BN,GaN…) ou les Oxydes(SiO₂ ,Al₂O₃…) [34,35] cette passivation et élaborée par PECVD RF à 340°C [35]. Ou «t, d » représentent les épaisseurs du diélectrique (50-100nm) [33] et de la couche donneuse AlGaN successives, «l, L» la longueur du Field plate et de Grille, « t, d »les constantes diélectrique de la couche de passivation et du AlGaN successives. « ns0 » La densité 2DEG.

Karmalkar [36] a pu montré que cette métallisation, au-dessus de la couche de passivation, permet de modifier le profil de la distribution du champ électrique du bord de la grille côté drain et de réduire le pic du champ électrique critique, augmentant ainsi la tension d’avalanche (Figure I.13).

Figure I.13 : Nouvelle structure du Field Plate présenté par Karmalkar et al [36].

Figure I. 14: Courant maximum de sortie et tension d’avalanche drain source obtenus pour un transistor HEMT GaN conventionnel et pour un transistor avec Field plate en fonction de la

Afin d’augmenter encore la tension d’avalanche, un transistor HEMT GaN à double Field plate (Figure II.15) possédant une tension d’avalanche de 900 V à été présenté par H. Xing [33].

Figure I.15: structure d’un transistor HEMT GaN à double Field Plate.

Wu [37] obtient les meilleures densités de puissance actuelles, à savoir une densité de puissance supérieure à 30 W/mm à partir de transistors HEMTs GaN sur SiC avec un seul Field Plate. Les résultats exacts des mesures grand signal CW obtenus pour une tension de polarisation continue de drain égale à 120 V sur deux transistors quasi identiques (longueurs de Field Plate différentes) sont les suivants :

- une densité de puissance de 32.2 W/mm, un PA E de 54.8 %, un gain en puissance de 14 dB à 4 GHz pour une longueur de Field plate égale à 1.1µm ;

- une densité de puissance de 30.8 W/mm, un PAE de 49.8 %, un gain en puissance de 10.7 dB m à 8 GHz pour une longueur de Field plate égale à 0.9µm

Cependant, la présence du Field plate augmente la capacité grille-drain et réduit ainsi quelque peu les performances en fréquence (Figure I. 16) de ces transistors [37].

Figure I. 16 : évolution de la fréquence de transition et de la fréquence d’oscillation maximale en fonction de la longueur Field Plate-Grille[37].

La figure I-17 présente de façon chronologique les meilleures performances obtenues avec des transistors HEMTs GaN jusqu’à maintenant.

Figure I. 17: principaux résultats obtenus en terme de puissance et de fréquence à partir de transistors HEMTs GaN.

I .11 Conclusion

Le matériau GaN de structure hexagonale (wurtzite), est un candidat prometteur pour les transistors HEMTs grâce à ces propriétés physiques et électriques remarquables. En plus, le nitrure de gallium donne lieu à une polarisation spontanée et une polarisation piézoélectrique. Cette polarisation crée une densité de charge qui permet la formation de 2DEG à l’interface de l’hétérostructure AlGaN/GaN. Les transistors HEMTs présentent les meilleures performances en fréquences. Mais les HEMTs à structure conventionnelle, ne dépassent pas les 10 W/mm. Afin d’augmenté la densité de puissance (32.2 W/mm) et ainsi la tension d’avalanche (~ 600V), l’utilisation des FP-HEMTs « Field Plate » ou « overlapping gate » est parmi les solutions attendues. Ils représentent les nouvelles structures du transistor HEMT conventionnelle, permettent d’atteindre des densités de puissance exceptionnelles. Cette métallisation au-dessus de la couche de passivation « Field plate » permet de modifier le profil de la distribution du champ électrique du bord de la grille coté drain et de réduire le pic du champ électrique critique, augmentant ainsi la tension d’avalanche.

II.1 Introduction

L’optimisation d’une filière de composants électroniques peut se faire de façon directe, par l’expérience en fabriquant le composant et en faisant varier de façon systématique les différents paramètres pour en évaluer l’effet et déterminer leurs valeurs optimales. Cette procédure s’avère longue et coûteuse. Cependant, la modélisation des effets de différents paramètres des dispositifs HEMT et la compréhension d’un grand nombre de phénomènes physiques et électriques qui limitent leurs performances s’avèrent nécessaires. L’analyse par simulation avec la possibilité de faire varier les paramètres indépendamment les uns des autres pour les étudier et comprendre leurs influences sur les caractéristiques des structures étudiées afin de les optimiser. Ces limitations sont bien souvent liées à des défauts intrinsèques aux matériaux utilisés ou à la technologie de fabrication.

L’électrode de champ « Field Plate » représente une métallisation au-dessus de la couche de passivation dans le but d’améliorer les performances des HEMTs à structure conventionnelle. Elle permet de modifier certaines propriétés électriques du HEMT, éventuellement la distribution du champ électrique au bord de la grille côté drain et la tension d’avalanche. Certains auteurs [38 ,39], analysent l’effet du « Field Plate » sur le potentiel et le champ électrique en utilisant des modèles analytiques. La résolution de l’équation de Poisson dans les différentes couches qui composent la structure nécessite des hypothèses simplificatrices. Cependant, dans les transistors HEMTs à base de GaN apparaît le phénomène de polarisations spontanée et piézoélectrique, qui ne seront pas négligées et devront être prises en considération. Notre objectif est d’analyser l’effet de la plaque de champ « Field Plate » sur les caractéristiques électriques des transistors HEMTs à base d’hétérostructures AlGaN /GaN. Pour cela, nous avons adapté un modèle analytique pour une structure HEMT conventionnelle et un autre pour une structure « FP-HEMT » avec Field Plate suivant une topologie choisie. Ensuite, on a résolu numériquement les équations aux dérivées partielles par la méthode des différences finies pour modéliser le potentiel et le champ électrique dans les HEMTs à base d'hétérostructures AlGaN/GaN.

II.2 Modélisation analytique du potentiel et du champ électrique dans les HEMTs