Le transistor à haute mobilité électronique (HEMT) InAlN/GaN

intéressons principalement aux HEMTs InAlN/GaN face-Ga, sachant que les HEMTs AlGaN/GaN face-Ga ont le même principe de fonctionnement.

V. LetransistoràhautemobilitéélectroniqueHEMTInAlN/GaN

1. Legazd’électronbidimensionnel2DEG

Un des avantages de l’hétérostructure InAlN/GaN est qu’il n’est pas obligatoire de doper les matériaux pour obtenir un gaz d’électrons. En effet, la différence des travaux de sortie entre l’InAlN et le GaN, crée un puits de potentiel côté GaN à l’interface de ces

matériaux. Les différentes polarisations à l’hétérointerface créent des charges σ2DEG qui vont

être piégées dans le puits de potentiel. La densité surfacique ns des charges du gaz 2D peut se

calculer à partir de l’équation I.21. Cette équation est basée sur un modèle électrostatique

fondé sur la neutralité des charges et présenté par Yu et al dans [26].

∆ (I.21)

Avec r la permittivité relative et d l’épaisseur de la couche barrière, b la hauteur de barrière

Schottky, EF la position du niveau de Fermi à l’hétérointerface et Ec la discontinuité de la

bande de conduction à l’hétérointerface.

Outre les éléments présentés dans l’équation I.21, le pourcentage d’aluminium peut aussi permettre d’augmenter ou de diminuer la densité surfacique du gaz 2D [15]. Un dopage de type donneur de la couche barrière peut aussi augmenter la densité de porteurs du 2DEG. Le dopage de type accepteur de la couche de GaN peut être utilisé pour améliorer le confinement des porteurs dans le canal bidimensionnel. Mais ces dopages ont pour conséquence l’augmentation de défauts dans ces couches ce qui peut limiter le fonctionnement de ces dispositifs.

De nos jours des questions subsistent encore sur l’origine exacte du gaz 2D. Ibetson et

al [27] ont montré que les états de surface de la couche barrière jouent un rôle important dans

la formation du 2DEG. En effet leur modèle stipule que la neutralité de la charge globale dans la structure nécessite une compensation des charges du canal par des donneurs ionisés en surface. La dépendance du 2DEG aux états de surface a été aussi confirmée par beaucoup d’autres travaux réalisés par différents auteurs [28] [29] [30].

2. Structured’unHEMT

Le transistor HEMT est un cas particulier des transistors FET (Field Effect Transistor). Il est constitué d’un contact Schottky qui constitue la grille et de deux contacts ohmiques qui constituent le drain et la source situés de part et d’autre du contact de grille. Le courant circule du drain vers la source dans le puits de potentiel crée à l’interface de deux matériaux dont la couche supérieure de fort gap et non intentionnellement dopé est appelée couche barrière, et

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dont la couche inférieure de faible gap, est appelée couche tampon ou buffer en anglais. La couche barrière est la couche donneuse d’électrons car elle va conditionner le taux des porteurs qui vont être crées à l’hétérointerface. Elle ne doit pas être trop épaisse afin de faciliter le contrôle, par la grille, du courant dans le canal. Il est possible de doper cette couche avec un dopage de type donneur afin d’augmenter la densité des porteurs dans le canal mais, cela a pour conséquence la diminution de la mobilité des porteurs et donc la diminution de la fréquence de coupure du gain en courant du dispositif. En fonction des propriétés électriques souhaitées, il est possible d’ajouter une couche supplémentaire entre la couche barrière et la couche buffer, appelée couche espaceur (Spacer en anglais). Cependant, cette dernière doit être assez fine comparée à la couche barrière afin qu’elle ne dégrade pas la mobilité du 2DEG, son rôle étant de limiter la diffusion des porteurs du 2DEG vers la couche

barrière quand une polarisation est appliquée sur la grille. Ardaravicius et al [31] ont montré

une dépendance de la mobilité des porteurs du 2DEG avec l’épaisseur de la couche espaceur AlN. Ils ont obtenu un pic de la mobilité pour une épaisseur d'AlN de 1 nm. Pour des raisons de confinement de porteurs dans le canal, il est aussi possible d’effectuer un dopage de type accepteur de la couche de GaN afin d’améliorer sa résistivité et donc de limiter les fuites des porteurs du canal vers le GaN lorsqu’une tension est appliquée sur la grille ou le drain. Cela a

pour conséquence directe la diminution de la tension de pincement du canal Vp, qui permet de

dépeupler complètement celui-ci. La couche de passivation permet de réduire les défauts de surface.

Toutes ces couches sont déposées successivement par épitaxie sur un substrat ayant de bonnes propriétés thermiques pour l’évacuation de la puissance dissipée. Dans le cadre de

cette thèse, les substrats utilisés sont le carbure de silicium SiC et le saphir Al2O3. L’intérêt du

contact Schottky, dans le HEMT, est majeur car il permet d’avoir des temps de commutation faible étant donné qu’il ne met en action que des porteurs majoritaires. La commande du transistor se faisant par la grille qui module le courant du canal, il est donc nécessaire de porter un vif intérêt sur le contact Schottky.

L’effet transistor est obtenu en modulant le courant du canal par une tension négative appliquée sur la grille lorsqu’une tension est appliquée sur le drain. La densité de porteurs

dans le canal est donc dépendante de la tension grille source VGS. On peut la calculer à partir

de l’équation I.22 :

Figure I.9: Coupe transversale d'un HEMT InAlN/GaN Buffer: GaN spacer: AlN barrière: InAlN 2DEG Passivation Substrat Grille ^Drain Source

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, _. ^∆ / .

(I.22)

InAlN est la permittivité de la couche barrière InAlN, EF est le niveau de Fermi et ϕb la hauteur

de barrière de la jonction métal/semiconducteur. Ainsi, on peut en déduire l’expression de la tension de pincement

∆ / .

(I.23)

L’équation I.23 peut ainsi se réduire sous la forme :

, (I.24)

Avec C0 la capacité par unité de surface entre la grille et le gaz d’électron bidimensionnel.

En appliquant une tension VDS entre le drain et la source, on obtient un courant IDS qui circule

du drain vers la source. En considérant V(x) la tension à la position x dans le canal, le courant I(x) s’exprime alors comme suit :

. . . (I.25)

En considérant un courant constant le long du canal et en intégrant suivant la direction x on obtient :

. .

. (I.26)

La caractéristique IDS(VDS) est divisée en deux zones ou régimes : un régime linéaire et un

régime saturé. Le régime linéaire est observé pour des tensions VDS << (VGS-Vp), l’équation

précédente peut alors se réduire à :

_ é ^{. .} . (I.27)

Le régime saturé ou régime de survitesse est le régime où les porteurs dans le canal atteignent

une vitesse maximale notée vsat. Il est observé pour des tensions VDS≥ VGS – Vp. L’expression

du courant drain-source devient :

_ é ^{. .} . (I.28)

Le gain statique en courant appelé transconductance Gm est la fonction de transfert du dispositif. Elle peut se calculer suivant les régimes par les équations suivantes pour une

tension VDS constante :

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En régime saturé : _{_ é} ^{_ é . .} (I.30)

La tension drain-source qui sépare le régime ohmique du régime saturé est appelée tension de

coude Vcoude. Ainsi, plus la pente de la caractéristique IDS(VDS), dans la zone ohmique, est

grande plus la tension de coude est faible. Cela a pour conséquence l’augmentation de l’excursion courant/tension, et donc de la puissance de sortie du dispositif.