Projet de Fin d’Etudesdspace.univ-tlemcen.dz/bitstream/112/4003/1/FARADJI-SENOUCI.pdf · Le travail présenté dans ce mémoire porte sur l’étude de l’effet thermique sur le

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


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


LECTRONIQUE

devant le jury compos de

lUniversit de Tlemcen


ABRI Mehadji Examinateur M.C.A 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



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 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.


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.


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].


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.


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.

=


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.


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.


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.


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.


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.


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


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.


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.


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.


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



silicium sont utiliss beaucoup trop prs de leurs limites physiques ultimes, en

particulier aux niveaux des densits de puissances fournies.



irectement dans la couche situe sous la grille. Cest de cette manire que

leffet MESFET parasite se manifeste dans un transistor HEMT.


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.


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



ues ultimes, en



irectement dans la couche situe sous la grille. Cest de cette manire que


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.


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.


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.


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.


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.


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


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


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


GHz

8 9 9 9 10 10 10 11 11 11 11

Power


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



Peak efficiency at

24GHz (%) 55


(dB)

12



Peak efficiency at

60GHz (%) 32


(dB)

8



Peak efficiency at

94GHz (%) 25


(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


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


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.


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


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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).


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.


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.


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


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.


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


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.


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


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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.


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.


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


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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

Documents

Projet de Fin d’Etudesdspace.univ-tlemcen.dz/bitstream/112/4003/1/FARADJI-SENOUCI.pdf · Le travail présenté dans ce mémoire porte sur l’étude de l’effet thermique sur le