Réalisation et optimisation de transistors HEMT GaN forte puissance

Propriétés électriques

 Structure de bandes 

Les bandes d’énergie donnent les états d’énergie possibles pour les électrons et les trous en fonction de leur vecteur d’onde. On les représente dans l’espace réciproque suivant des directions de plus hautes symétries. La densité d’états est représentée au voisinage de la première zone de Brillouin Γ. L’allure des bandes est la même pour tous les composés III-N considérés [3-4] (Figure I. 3 et Figure I. 4).La structure de bande est directe, c’est-à-dire que le maximum de la bande de valence et le minimum de la bande de conduction sont situés au centre de la zone de Brillouin (K=0). Dans la littérature, plusieurs moyens de calcul permettent de décrire avec précision l’allure de la structure de bande tels que la méthode pseudo-empirique du pseudo-potentiel ou bien les calculs de paramètres hybrides [5]. Les valeurs de la bande interdite appelée plus communément « gap » notée Eg sont respectivement de 3.4 eV et 6.2 eV pour le GaN et l’AlN à température ambiante. Figure I. 3 : Structure de bandes et densité d’états du w-GaN (a) et schématisation de la première zone de Brillouin dans un cristal de w-GaN (b). La valeur du gap augmente avec la diminution de la température selon l’équation I.1 décrite par la relation semi-empirique de Varshini 𝐸𝑔(𝑇) = 𝐸𝑔 (0) − 𝛼𝑇 2 𝑇+𝛽 (I.1) Avec : T : la température en K 𝐸𝑔 (0) : la valeur de la largeur de bande interdite à T = 0K 𝛼 et 𝛽 sont les paramètres spécifiques aux matériaux et ils sont exprimés respectivement en meV.K-1 et K. 30 Figure I. 4 : Structure de bandes et densité d’états du w-AlN (a) et schématisation de la première zone de Brillouin dans un cristal de w-AlN (b). Pour les composants III-N, ces paramètres sont donnés dans le tableau I. 1 Eg(0) (eV) α (meV.K-1) β (K) GaN 3.47 0.94 791 AlN 6.38 2.63 2082 Tableau I. 1 : Paramètres pour les composés III-N binaires obtenus à partir du modèle de Varshini. 

 Mobilité électronique

 La mobilité électronique est l’habilité de déplacement des électrons ou des trous sous l’effet d’un champ électrique. Elle est fortement liée à la qualité cristallographique du matériau, à la température et au dopage. En effet l’élévation de la température crée des perturbations dans le cristal et affecte la mobilité. La figure I. 5 montre la variation de la mobilité en fonction de la température et du dopage du GaN Wurtzite. La mobilité volumique des électrons est de1000 cm2V-1s -1 à 300 K. 31 Figure I. 5 : Variation de la mobilité en fonction de la température et du dopage du GaN (Wurtzite) et différents degrés de compensation θ = Na/Nd [7-8]. Sous l’action d’un faible champ électrique, les électrons et les trous vont se déplacer avec une vitesse ν appelée vitesse de dérive qui dépend directement du champ électrique appliqué selon l’équation (I. 2) 𝜈𝑑(𝐸) = µ(𝐸)𝐸 avec µ(𝐸) = 𝑞.𝜏 𝑚∗ (I. 2) Avec : q : la charge de l’électron µ : la mobilité électronique τ : le temps de relaxation 𝑚∗ : la masse effective des porteurs Dans la littérature, plusieurs études portent sur des mesures expérimentales de la vitesse de dérive des électrons. En effet au-delà d’un champ électrique donné, la vitesse des électrons décrite par l’équation I. 2 n’est plus valable, ce champ est appelé champs critique. L’augmentation de ce champ électrique entraine une augmentation de la masse effective, donc une diminution de la mobilité et donc de la vitesse de dérive [9]. La figure I. 6 représente la variation de la vitesse de dérive en fonction du champ électrique appliqué pour les matériaux GaN, AlN et InN [10]. A partir de la valeur des champs critiques de chaque matériau, un pic de survitesse apparait 32 pour finalement décroitre vers une valeur constante, nommée vitesse de saturation des électrons. Nous présentons dans le tableau I. 2 les différentes propriétés de transport volumique pour les matériaux binaires. 

 Le champ de claquage 

Le champ de claquage est défini comme étant le champ électrique maximal que le matériau peut supporter avant une détérioration irréversible. Il est proportionnel à la largeur de la bande interdite. On peut supposer que la forte valeur de la bande interdite engendre un champ maximum relativement élevé comme le montre l’équation I. 3. 𝐸𝑐~𝐸𝑔 3 2 (𝐼. 3) Figure I. 6 : Vitesse de dérive des électrons en fonction du champ électrique à 300 K pour les matériaux GaN, AlN et InN. 33 Comme le GaN a une large bande interdite, la valeur du champ de claquage est estimée à 2MV/cm, les mesures le situent à des valeurs localisées entre 1 et 3 MV/cm [11-12]. Notons que ces valeurs sont comparables à celles qui sont obtenues dans le SiC [12]. 

Propriétés thermiques 

Conductivité thermique

 La conductivité thermique K représente la quantité de chaleur transférée par unité de temps au travers d’une surface d’un matériau et s’exprime en W.K-1 .m-1 . Cette valeur doit être la plus élevée possible pour les applications d’électronique de puissance. En effet, un auto-échauffement important apparait dans les composants en fonctionnement et a pour conséquence une diminution de la mobilité et donc des performances électriques des composants. La fiabilité des dispositifs de puissance est également fortement affectée par la température, et les durées de vies fonctionnelles sont généralement déterminées pour une température de jonction donnée. La conductivité thermique des matériaux GaN et AlN est donnée dans le tableau ci-dessous.