Transistor HEMT en GaN pour les applications Haut Débit

1 - Introduction

Transistor HEMT en GaN

Les potentialités des transistors à effet de champ à grande mobilité électronique HEMTs à base de l’hétérostructure AlGaN/GaN intéressent fortement la communauté scientifique internationale et sont certainement les plus étudiés actuellement au niveau mondial. Ils sont apparus comme candidats attractifs pour les applications à forte tension, puissance élevée aux fréquences micro-ondes. Grâce aux polarisations spontanées et piézoélectriques, ils ont la facilité de réaliser un gaz bidimensionnel d'électrons (2DEG) à l'interface avec une concentration de l'ordre 10¹³cm^-2 sans dopage intensionnel.

2 - Historique du transistor HEMT

Le transistor HEMT (High Electron Mobility Transistor) encore appelé dans la littérature TEGFET ( Two Electron Gas Field Effect Transistor) ou MODFET ( Modulation Doped Field Effect Transistor), ou encore SDHT (Selectively Doped Heterojunction Transistor), a été conçu et réalisé simultanément au sein de deux laboratoires, par Thomson  en France et par Fujitsu au Japon en 1980.

En 1985, le HEMT est présenté comme un composant micro-onde unique ayant les plus faibles caractéristiques en bruit au monde. Initialement, ce transistor était utilisé dans un radiotélescope à Nobeyama, Japon, qui présente un diamètre de 45 mètres. En refroidissant le composant à la température de l’hélium liquide, il est possible de capter un signal provenant d’une molécule interstellaire située à mille années lumières de la Terre. Plus tard, le HEMT sera implanté dans des récepteurs de télévision pour capter les signaux des satellites géostationnaires (36000 km d’altitude). Puis petit à petit, ce composant se fera une place dans notre quotidien. Le HEMT constitue une évolution majeure du MESFET (Fet à jonction métal/semiconducteur) et a pris le pas sur ce dernier depuis le début des années 1990 .

3 - Evolution de HEMT vers une structure à base de GaN

Les transistors HEMT en Nitrure de Gallium possèdent de nombreux avantages. Très utilisé dans le domaine de télécommunications. Le HEMT GaN est très apprécié pour ses propriétés semi-conductrices intéressantes.  En effet, Ce matériau présente une énergie de bande interdite jusqu'à trois fois plus élevée par rapport  au GaAs. D’autre part, le GaN présente une bonne conductivité thermique, sa haute température de fusion ainsi que l’importante vitesse de saturation des électrons. L’ensemble de ces caractéristiques en font un candidat de choix pour les applications de puissance hyperfréquence.

comparaison des performances puissances fréquences pour
différentes filières

Le graphe de la figure  montre les plages d’applications puissances-fréquences que peuvent couvrir les différentes filières. On observe que la filière nitrure de gallium offre actuellement le meilleur potentiel. Elle permet d’amplifier une puissance importante RF jusqu’à environ 80GHz ce qui justifie les nombreux travaux de recherche menés actuellement dans ce domaine.

4 - Les semi-conducteurs III-N

semi-conducteurs III-N 

Les matériaux semi-conducteurs III-N sont des bons candidats pour la fabrication de transistors HEMTs . Les matériaux semi-conducteurs III-N présentent plusieurs avantages tels que le large bande interdite, une grande stabilité chimique, des propriétés mécaniques exceptionnelles ainsi que d’autres propriétés physiques remarquables. Ces semi-conducteurs possèdent les qualités indispensables pour fabriquer des composants de puissance.

Récapitulatif de quelques propriétés physiques importantes de 

différents semi-conducteurs Si, GaAs, GaN et lnN 

à température ambiante 

5 - Le nitrure de gallium GaN

Cristal de nitrure de gallium GaN 

Le cristal de nitrure de gallium GaN offre des qualités intrinsèques qui répondent aux exigences attendues. Ses propriétés cristallines confèrent aux transistors à effet de champ la robustesse et les performances nécessaires pour les applications à fortes puissances et à très hautes températures. Le nitrure de gallium GaN est un semi-conducteur III-V, montrant une grande largeur de bande interdite (3.39eV), ce qui distingue sa technologie de celles conventionnelles des matériaux à faible bande interdite, comme le silicium ou l’arséniure de gallium GaAs. Outre ses propriétés physiques et thermiques, le GaN présente la particularité d’être un matériau pyroélectrique et piézoélectrique. Cette spécificité a permis de réaliser des transistors HEMT de type AlGaN/GaN.

Différents structures du GaN

6 - Etude du transistor HEMT à base de GaN

Présentation du HEMT en GaN

Le transistor HEMT apparait comme une évolution  majeure du MESFET. La différence est que le HEMT utilise une hétérojonction, c’est à dire une jonction entre des matériaux ayant des bandes d’énergie différentes, de manière à faire passer les électrons constituant le courant drain-source dans un semi-conducteur non-dopé, afin de diminuer le temps de transit et donc augmenter les performances en fréquence. La vitesse des électrons est en effet d’autant plus grande que le dopage du semi-conducteur est faible, car la dispersion d’impuretés ionisées est  réduite.

Le transistor HEMT Al_xGa_1-xN /GaN, est un dispositif à effet de champ de la filière nitrures.

Les principaux avantages du HEMT Al_xGa_1-xN /GaN par rapport à ses concurrents sont:

      Un gap important.

      Tension de claquage élevé.

      Une conductivité thermique conséquente.

      Meilleure mobilité électrique.

Le but de la structure d'un HEMT est de séparer les électrons libres de la couche de semi-conducteur contenant des impuretés afin d'augmenter la mobilité des électrons. Pour cela un matériau GaN à gap relativement faible est mis en contact avec le matériau ternaire Al_xGa_1-xN à grand gap.

Définition de la structure par couche du transistor HEMT GaN

La structure d’un transistor de type HEMT en Nitrure de Gallium est très semblable à celle d’un transistor dont le matériau semi-conducteur est l’Arséniure de Gallium malgré plusieurs différences nettes. On présente une structure typique de transistor HEMT AlGaN/GaN à la figure suivante.

structure d’un transistor HEMT Al_xGa_1-xN/GaN

Ce transistor est constitué de trois électrodes : la grille, la source et le drain. Le contact lié au dépôt de l’électrode de grille est un contact de type Schottky. Quant aux électrodes de source et de drain, il s’agit de contacts ohmiques.

C’est un transistor dont la structure est horizontale. Chacune des couches le constituant n’est pas dopée ou ne l’est pas intentionnellement. C’set pourquoi il faudra quand même tenir compte d’un dopage résiduel présent dans chacune des couches semi-conductrices du transistor HEMT GaN.

A la lumière de la figure , on note principalement trois couches principales :

·         Les électrodes de source et de drain ne sont pas en surface. Elles sont directement encastrées dans la structure pour être en contacte avec le canal d’électrons.

·         La barrière Al_xGa_1-xN fait quelques dizaines de nanomètres. x représente la fraction molaire ou pourcentage en Aluminium du composé ternaire. La différence de gaps entre ce composé ternaire et le matériau en Nitrure de Gallium crée une hétérojonction dans laquelle les électrons seront confinés afin de constituer le gaz bidimensionnel d’électrons plus connu sous le nom de 2DEG.

·         La couche de nitrure de gallium est placée juste au dessous de la couche ternaire. Elle contient le 2DEG d’électrons dans sa partie supérieure, répartis sur une épaisseur de quelques nanomètres.

·         Afin de constituer le substrat, un support en silicium peut être utilisé. C’est sur celui-ci que sera réalisé le composant.

·         L’utilisation d’un buffer en nitrure d’Aluminium placé entre le substrat et la couche de GaN sera requise de manière à passer graduellement de l’accord de maille du GaN vers celui du Si et inversement (cela n’est pas précisé sur la figure mais c’set une étape très importante dans la réalisation du composant).

·         Enfin, on pourra avoir recours à l’utilisation d’une couche supplémentaire dite de passivation afin d’isoler la barrière de l’extérieur. En effet, le matériau ternaire possède de l’aluminium fortement oxydable quand il est en contact avec l’air. Afin d’éviter cela et conférer au composant un fonctionnement optimal, on dépose une couche semi-conductrice composée de GaN ne possédant pas d’Aluminium. cela n’est pas indiqué sur la figure. Ce n’est pas une étape systématique mais elle est fortement conseillée.

Avant d’expliquer la manière dont le gaz bidimensionnel s’est formé, il est nécessaire d’expliquer clairement le mode de conduction du transistor HEMT GaN. Et pour cela, il faut analyser précisément le diagramme des bandes d’énergie associé à cette structure.   

Diagramme des bandes de la structure HEMT AlGaN/GaN et fonctionnement de celui-ci

On dépose une couche de matériau ternaire Al_xGa_1-xN sur une couche de GaN. Ces deux matériaux ont des  largeurs de bande interdite différentes. Dans notre structure, le matériau ternaire possède le plus grand gap, il est de 3.96 eV pour Al_0,3Ga_0,7N. Le GaN, quant à lui, possède un gap plus faible : 3,39 eV. C’est la juxtaposition de ces deux couches qui crée la discontinuité des bandes de conduction et de valence au  niveau du diagramme des bandes. Elle est présentée aux figures ci-dessous.   

Diagrammes des bandes d’énergie des matériaux constituent 

l’HEMT GaN (pris séparément) à l’équilibre 

thermodynamique. 

La différence de gaps est ici flagrante, le puits de potentiel sera donc situé du côté du matériau à faible gap comme nous le montre la figure.

D’après les règles développées en 1960 par R.L. Anderson et qui permettent de construire les diagrammes énergétiques associés aux structures à hétérojonctions, les niveaux de Fermi des matériaux doivent s’aligner. Cela occasionne une discontinuité des bandes de valence et de conduction étant donné que le niveau de référence (niveau du vide) doit rester rigoureusement continu. Aussi, les bandes de conduction, de valence et du vide doivent rester parallèle entre elles tout en respectant les règles décrites ci-dessus. On obtient alors le diagramme des bandes ci-dessous.

Diagrammes des bandes après jonction des deux couches qui

   constituent l’HEMT AlGaN/GaN l’équilibre thermodynamique. 

Polarisation dans les HEMT AlGaN/GaN

Les transistors HEMT GaN typiques peuvent posséder une densité de charge dans le canal atteignant plus de 1.10¹³ charges.cm^-2 sans pour autant doper la structure de manière intentionnelle. En effet, on pourra constater la présence d’un dopage résiduel de 1.10¹⁶ cm^-3.

Ceci est dû principalement à la structure même du transistor qui est le siège de deux types de polarisation, la polarisation piézoélectrique et la polarisation spontanée.

                                       

7 - Simulation

Dans cette partie, nous présentons les résultats de simulations des caractéristiques statiques (DC) du transistor HEMT GaN .Pour cela, nous avons mis au point le module ATLAS de SILVACO.

Description du logiciel SILVACO 

Le logiciel de simulation ATLAS est un simulateur de modélisation bidimensionnelle de composants capable de prédire les caractéristiques électriques de la plupart des composants semiconducteurs en régime continu, transitoire ou fréquentiel. Il fournit des informations sur la distribution interne de variables telles que les concentrations des porteurs, les lignes de courant, le champ électrique ou le potentiel, etc, autant de données importantes pour la conception et l'optimisation des procédés technologiques. Ceci est réalisé en résolvant numériquement l’équation de Poisson et les équations de continuité de courant pour les électrons et les trous en deux dimensions en un nombre fini de points formant le maillage de la structure défini par l’utilisateur ou par le programme.

Ce simulateur est composé de deux parties :

    ð  Une partie traitement numérique (méthode d’intégration, de discrétisation...).

    ð  Une partie formée des modèles physiques des composants semiconducteurs les plus récents.

Schéma synoptique des modules utilisés dans la simulation par SILVACO

Description de la structure à calibrer dans le but de la simuler 

la topologie de la structure étudiée est celle d’un HEMT Al_0.3Ga₀.₇N/GaN épitaxie sur un substrat 4H-SiC (polytype 4H du Carbure de Silicium). La taille de substrat est de 5,4x5 µm². L’épitaxie se compose d’une couche d’AlN (Nitrure d'Aluminium), suivie de 0,6 µm d’une couche de GaN contiendra dans sa zone supérieure, le gaz bidimensionnel ou canal d’électrons vient ensuite la couche barrière, elle est fabriquée avec un matériau appartenant à la famille des éléments nitrures : Al_0.3Ga₀.₇N son épaisseur est de 0,027 µm. Les longueurs des contacts de source, grille et drain sont de 1µm/0,6µm/1µm respectivement. Les distances source-grille et grille-drain sont de 1,4 µm. La densité de charge à l’interface Al_0.3Ga₀.₇N/GaN est fixée à 6,43×10¹² cm^-2.

Topologie de la structure HEMT Al_0.3Ga₀.₇N/GaN simulée.

Les paramètres physiques du composant ont été instruits dans le logiciel afin de traduire correctement l’épitaxie des couches. Pour cela les  paramètres des matériaux employés sont recensés dans le tableau suivant :

	Al0.3Ga0.7N	w-GaN	SIN	AlN	4H-SiC	Si
Bande interdite (eV)	3,96	3,39	1,12	6,2	3,23	1,12
Conductivité thermique (W/k.cm)	0,25	1,3	0,35	2,85	4 ,9	1,3
Permittivité relative	9,55	10	7,5	8,5	9,7	11,8
Affinité des électrons (eV)	3.169	4,1	1,02	1.9	4,05	4,05
Mobilité des électrons (cm2/Vs)	985,5	1350	-	300	460	1450
Mobilité des trous (cm2/Vs)	13,3	130	-	14	124	450

Maillage

 Le maillage joue un rôle important pour l’obtention de bonnes simulations. Celui-ci doit être fait avec la plus grande attention pour garantir la fiabilité des résultats. La méthode numérique utilisée pour résoudre les équations physiques est la méthode des éléments finis. Son principe de base est la discrétisation par éléments des équations à traiter. Les éléments qui définissent la maille élémentaire utilisée par le simulateur sont des prismes. Pour obtenir des résultats fiables et précis, la finesse du maillage doit être définie en fonction des variations des grandeurs physiques. Le choix de maillage doit être fait de façon à avoir un compromis entre la vitesse d’exécution et l’exactitude des résultats. Le maillage doit être dense à l’interface barrière/canal pour cibler le gaz bidimensionnel suivant l’axe des y. Il est aussi très fin sous l’électrode de grille et de part et d’autre de chacune des électrodes suivant l’axe des x. La maille conçue pour notre dispositif est montrée sur la figure ci-dessous.

Structure du transistor HEMT AlGaN/GaN  simulée sous SILVACO/ATLAS
 (a) Sans maillage (b) Avec maillage 

Caractéristiques de sortie  Ids-Vds 

Nous avons représenté sur la figure suivante les caractéristiques de sortie donnant l’évolution du courant Ids circulant entre le drain et la source lorsque l’on fait croître la tension Vds en maintenant la tension Vgs à des valeurs constantes (0, -1, -2, -3 et -4 V). Trois régimes de fonctionnement peuvent être distingués :

§                   régime linéaire (le courant Ids croît avec la tension Vds) : Si Vds << Vdsat.

§                   régime saturé (Ids est sensiblement indépendant de Vds): Si Vds >> Vdsat.

§                    régime non-linéaire : zone de fonctionnement intermédiaire entre les deux régimes cités ci-dessus.

Le transistor passe en régime de saturation lorsque la vitesse des électrons atteint leur vitesse de saturation. Lorsque la tension Vgs augmente en valeur absolue, la diminution de la profondeur du puits de potentiel à l’hétérojonction entraîne celle de la densité surfacique des électrons, et donc du courant Ids. Pour une tension de grille Vgs suffisamment négative, le canal est pincé. Cette tension de seuil est définie comme une tension de pincement. La concentration des porteurs dans le canal dépendant fortement de l’épaisseur et du dopage de la zone de grand gap (la couche barrière).

Caractéristiques de sortie  Ids-Vds  pour Vgs variant
de 0 à -4V avec un pas de 1V sous SILVACO/ATLAS

Caractéristiques de transfert Ids-Vgs

Nous avons représenté sur la figure suivante les caractéristiques de transfert simulées qui consiste à tracer l’évolution du courant drain-source Ids, en fonction de tension grille-source Vgs pour une tension drain-source Vds, donnée (1, 4 et 8 V).

Caractéristique de transfert Ids-Vgs d’un HEMT Al_0.3Ga₀.₇N /GaN

pour Vds = 1V, 4V, 8V

La caractéristique de transfert est définie par deux grandeurs:

§  La tension de seuil V_TH, qui définit la tension de grille nécessaire pour pincer le canal.

§  La transconductance G_m, qui définit le gain de transfert: dI_ds/dV_gs à un V_ds donné.

a)        La tension de seuil V_TH :

V_TH représente la tension à appliquer sur la grille pour dépléter complètement le canal et ainsi pincer le canal. La différence de potentiel, ddp, entre le contact de grille et le canal induite par

V_TH doit donc compenser la ddp nette qui réside dans la structure.

En fonctionnement, c’est-à-dire à transistor polarisé, la tension de seuil est la grandeur la plus pertinente, entre autre pour la conception de circuits. C’est elle qui va déterminer le mode de fonctionnement du transistor :

ü  à désertion pour une tension de seuil négative.

ü  à enrichissement pour une tension de seuil positive.

Mais si la définition de la tension de seuil est identique, les méthodes d’obtention varient d’un laboratoire à l’autre. Nous allons décrire ici la plus fréquente :

« Méthode de la tangente » : elle consiste à tracer la caractéristique Ids = f (Vgs). On considère alors la partie quasi linéaire de la courbe et la tension de seuil V_TH correspond alors à l’intersection avec l’axe des abscisses de la tangente à la droite ( voir la figure suivant )

b)        La transconductance G_m :

Ce paramètre représente le gain en transfert puisque c'est le rapport entre le courant de drain et la tension de grille. Il est déterminé par l'équation :

Graphiquement G_m est définit comme étant la pente de la caractéristique Ids-Vgs . 

Ces grandeurs (G_m et V_TH) sont représentées sur la figure suivant qui illustre les caractéristiques de transfert pour chaque polarisation de Vds (1, 4 et 8 V). 

Caractéristique de transfert Ids-Vgs  avec les grandeurs Gm et V_TH pour Vds = 1, 4 et 8 V.

8 - Etat de l’art du transistor HEMT en GaN d’après l’ITRS

La technologie sur Nitrure de Gallium est encore jeune et en constant développement. Beaucoup des travaux de recherches ont été publiés, des transistors de plus en plus performants sont réalisés.

Aujourd'hui, la technologie HEMT III-N est un domaine de recherche très actif et a récemment été intégrée à la feuille de route de l’ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) . Le Tableau suivant recense l'état de l'art des transistors HEMTs sur nitrure de gallium portés à ce jour.

Year of production “  GaN HEMT ”	2011	2012	2013	2014	2015	2016	2017	2018	2019	2020	2021
Gate length (nm)	150	100	100	100	70	70	70	50	50	50	50
Low Noise
Ft (GHz)	120	160	160	160	200	200	200	240	240	240	240
Operating voltage(V)	5	4	4	4	3	3	3	3	3	3	3
Gm (S/mm)	0,4	0,55	0,55	0,55	0,65	0,65	0,65	0,7	0,7	0,7	0,7
Fmin(dB) at 10 GHz	1	0,8	0,8	0,8	0,6	0,6	0,6	0,5	0,5	0,5	0,5
Associated Gain at 10 GHz	15	16	16	16	17	17	17	18	18	18	18
Fmin(dB) at 24 GHz	1,2	1	1	1	0,8	0,8	0,8	0,6	0,6	0,6	0,6
Associated Gain at 24 GHz	13	14	14	14	15	15	15	16	16	16	16
Fmin(dB) at 60 GHz	2	1,7	1,7	1,7	1,5	1,5	1,5	1,3	1,3	1,3	1,3
Associated Gain at 60 GHz	9	10	10	10	11	11	11	12	12	12	12
Fmin(dB) at 94 GHz	2,8	2,5	2,5	2,5	2,2	2,2	2,2	2	2	2	2
Associated Gain at 94 GHz	8	9	9	9	10	10	10	11	11	11	11
Power
F max (GHz)	200	250	250	250	320	320	320	350	350	350	350
Breakdown(volts)@Vd=            1mA/mm	45	40	40	40	35	35	35	30	30	30	30
I max (ma/mm)	1200	1350	1350	1350	1450	1450	1450	1500	1500	1500	1500
Gm (S/mm)	0,36	0,5	0,5	0,5	0,65	0,65	0,65	0,7	0,7	0,7	0,7
Pout at 10 GHz and peak  Efficiency (mW/mm)	5000
Peak efficiency at      10GHz (%)	65
Gain at 10 GHz, at PldB (dB)	14
Pout at 24 GHz and peak  Efficiency (mW/mm)	4500	5000	5000	5000
Peak efficiency at      24GHz (%)	55	55	55	55
Gain at 24 GHz, at PldB (dB)	12	13	13	13
Pout at 60 GHz and peak  Efficiency (mW/mm)	3500	3500	3500	3500	3750	3750	3750	3750	3750	3750	3750
Peak efficiency at      60GHz (%)	32	38	38	38	40	40	40	40	40	40	40
Gain at 60 GHz, at PldB (dB)	8	9	9	9	10	10	10	11	11	11	11
Pout at 94 GHz and peak  Efficiency (mW/mm)	2000	2200	2200	2200	2500	2500	2500	3000	3000	3000	3000
Peak efficiency at      94GHz (%)	25	28	28	28	30	30	30	35	35	35	35
Gain at 94 GHz, at PldB (dB)	7	8	8	8	9	9	9	10	10	10	10
Pout at 220 GHz and peak  Efficiency (mW/mm)				1200	1200	1200	1200	1200	1200	1200	1200
Peak efficiency at      220GHz (%)				20	24	24	24	28	28	28	28
Gain at 220GHz, at PldB (dB)				6	7	7	7	8	8	8	8

État de l'art des transistors HEMTs sur nitrure de gallium III-N

9 - Les applications du HEMT à base de GaN   dans le domaine de        télécommunication

Ce composant est désormais largement utilisé en tant que composant faible bruit dans les systèmes de télécommunications terrestres et spatiales, dans les radiotélescopes, dans les récepteurs de télévision par satellite, ..., dans bon nombre de systèmes électroniques, des téléphones portables aux véhicules automobiles.

10 - Conclusion

Les transistors  HEMT en Nitrure de Gallium possèdent de nombreux avantages. Très utilisés dans le domaine des télécommunications, le HEMT en GAN est très apprécié pour ses propriétés semi-conductrices et aussi pour les applications de forte puissance, l’apparition de matériaux à grande bande interdite et en particulier la technologie à base de GaN ceci nous incite à l’étudier dans un nouveau chapitre plus particulier et plus profondément le composant High Electron Mobility Transistor a base de GaN.

 Le HEMT à base de nitrure de gallium présentent de bonnes performances dans les applications de haute puissance et haute température. Ceci est principalement dû au large gap direct du GaN qui est de 3.39 eV, sa grande conductivité thermique (1.3 W/cmK) et son champ de claquage élevé (5×10⁶V/cm). De plus l’effet de la polarisation spontanée et piézoélectrique existant toutes les deux au sein du GaN s’ajoute à ses qualités. L’effet de la combinaison des deux est très notoire d’autant plus qu’elles contribuent à l’amélioration et à la diversion des domaines d’applications des HEMTs AlGaN/GaN.Cette première étude permis de quantifier les performances en puissance et en fréquence de ce type de composant, mais également d’en déterminer les limites fondamentales et technologiques.