SIMULATION D`UN TRANSISOR AlGaNInGaNGaN A EFFET DE

Mémoire de fin d’étude en Master
Intitulé :
SIMULATION D’UN TRANSISOR AlGaN/InGaN/GaN
A EFFET DE CHAMP (HEMT)
Année Universitaire
20
13
-
20
14
République Algérienne Démocratique et Populaire
Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique
Université Med Khider Biskra
Faculté des Sciences Exactes et des Sciences de la Nature et de la Vie
Département des Sciences de la Matière Domaine des Sciences de la Matière
Filière de Physique
Spécialité Physique photovoltaïque
Présenté par :
Mechgoug Amina
Devant le Jury Composé par :
Sengouga. Nouredine
Professeur Université Med Khider- Biskra Président
Akel Said
MCA Université Med Khider- Biskra Examinateur
Abdeslam Nora Amele
MCB Université Med Khider - Biskra Rapporteur

TABLE DES MATIERES
Dédicace………………………………………………………………………………………..I
Remerciement………………………………………………………………………...............II
Tableaux de matière….……………………………………………………………………..III
Liste de figure ……………………………………………………………………….............IV
Liste de tableau …...………………………………………………………………….............V
Introduction générale……………………………………………………………..….............2
Chapitre I : propriétés physique des nitrures
I.1.Introduction…………………………………………………………………………………5
I.2 .Propriétés des nitrures ……………………………………………………………………..5
I.2.1 Propriétés structurales ……………………………………………………………….5
I.2.2 Principales caractéristiques du GaN………………………………………................6
I.2.3.Zone de Brillouin …………………………………………………………………....7
I.2.4.Paramètres de maille ….…………………………………………………………….8
I.3.Contraintes dans les couches de nitrure ……………………………………………………9
I.4.Propriétés du ternaire AlGaN…………………………………………………………10
I.4.1.Variation du gap d’AlGaN, en fonction de la fraction de mole x (Al) …………11
I.4.2 Variation de la permittivité d’ , en fonction de la fraction molaire x…...12
I.5 Propriétés du composé ternaire InxGa1-xN ………………………………………………12
I.5.1 Variation du gap d’InGaN, en fonction de la fraction de mole x (In)………….13
I.6 Mobilité des électrons dans AlxGa1-xN et InxGa1-xN, en fonction de x………………...14
I.6.1Mobilité des électrons dans AlxGa1-xN, en fonction de x…………………..………14
I.6.2.Mobilité des électrons dans InxGa1-xN, en fonction de x ………………..………..15
I.7 Substrats et méthodes de croissance………………………………………………………15
I.7.1 Choix d’un substrat pour les nitrures……………………………………………..…16
I.7.2.Substrats pour GaN wurtzite………………………………………………………...16
I.7.3 Substrats pour GaN zinc-blende………………………………………………….....17
I.8. Polarisations piézoélectrique et spontanée dans les nitrures……………………………..17
I.8.1.Polarisation spontanée………………………………………………………………17
I.8.2.La polarisation piézoélectrique……………………………………………………...19

I.9 Conclusion………………………………...………………………………………………21
Référence …………………………………………………………………………………….22
Chapitre II : principe physique de HEMT
II.1ntroduction ……………………………………………………………………………….23
II.2 Les transistors à haute mobilité d’électrons (HEMT)……………………………………23
II.3 Etude d’une hétérojonction………………………………………………………………25
II.3.1 Définition de l’hétérojonction….……………………………………………....25
II.3.2 Diagramme des bandes d’une hétérojonction ……………………………..…...26
II.4 Description de la structure d’un HEMT..…...……………………………………………27
II.4.1 Structure d’un HEMT…………………………………………………………..27
II.4.2 Description des couches.. ……………………………………………………...28
II.5 Caractéristiques électriques….. ………………………………………………………….29
II.5.1 Le courant drain-source………………………………………………………...29
II.5.2 La transconductance …………………………………………………………...30
II.5.3 La conductance de sortie ………………………………………………………30
II.6 Le HEMT AlGaN/GaN…………………………………………………………………..30
II.6.1 Détermination de la relation ns(Vgs)……………………………………………….31
II.7Résumé…………………………………………………………………………………....37
Référence …………………………………………………………………………………….38
Chapitre III : Le model physique du transistor HEMT en SILVACO
III.1 Introduction………………………………………………………………………….…..39
III.2 Les équations de Base de Semi-conducteur en ATLAS-SILVACO…………………….39
III.2.1 Équations de bases de la physique des semi-conducteurs……………………..39
III.3 Modèles physiques utilisés………………………………………………………………41
III.3.1 Le modèle Sockley-Read-Hall (recombinaison-génération)…………………..41
III.4 Présentation du logiciel ATLAS-SILVACO……………………………………………42
III.4.1 aperçu sur ATLAS-SILVACO………………………………………………...42
III.4.2 Structure de Fichier d'entrée…………………………………………………...43
III.4.3 Différents étapes de simulation………………………………………………....4
III.4.3.1 Spécification de la Structure étudiée……...………………………………....43
III.4.3.1.a Spécification de Maillage………………………………………………….

III.4.3.1.b Spécification des Régions et Matériaux…………………………………...45
III.4.3.1.c Spécification des électrodes………….……………………………………46
III.4.3.1.d Spécification de Dopage…………………………………………………...46
III.4.3.2 Spécifications des Matériaux et des modèles numériques de calcul………...47
III.5 Spécification de Solution……………………………………………..…………………47
III.6 Analyse des résultats…………………………………………………………………….48
III.7 conclusion……………………………………………………………………………….48
Référence …………………………………………………………………………………….49
Chapitre IV : Résultat et interprétation
IV. Introduction……………………………………………………………………………….50
IV.2 Le transistor Al0.28Ga0.72N / In0.1Ga0.9N /GaN HEMT……………………..…………..50
IV.2.1 Description de la structure hétérojonction…………………………………….50
IV.2.2 l’influence des propriétés du matériau………………………………………...54
IV.2.2.1 L’effet de la concentration d’interface ns sur les caractéristiques du
transistor Al0.28Ga0.72N / In0.1Ga0.9N/GaN HEMT…………………………………...54
IV.2.2.2 L’effet de la concentration d’Indium dans l’alliage InGaN sur les
caractéristiques du transistor Al0.28Ga0.72N / In0.1Ga0.9N/GaN HEMT………...……..57
IV.3 L’effet de la technologie de l’hétérostructure HEMT…………………………………...60
IV.3.1 l’influence du type de substrat sur la figure de mérite du transistor (Id-
Vd)…………………………………………………………………………………….60
IV.3.2 l’influence de la longueur de la grille sur la figure de mérite du transistor (Id-
Vd)……………………………………………………………………………………62
IV.3.3 l’influence de la distance source-drain sur la figure de mérite du transistor (Id-
Vd).….……………………………………………………………………………...…64
IV.4 Résumé………………………………………..…………………………………………67
Référence …………………………………………………………………………………….70
Conclusion générale…………………………………………………………………………..69
Référence …………………………………………………………………………………….70
Résumé ……………………………………………………………………………………….70

LISTE DE FIGURE
Figure I.1. Illustration des deux phases cristalline du GaN …………………………………...6
Figure I.2 : Les zones de Brillouin des deux structures: (a) Wurtzite et (b) zinc
blende…………………………………………………………………………………………..8
Figure I.3: La dépendance, à la température ambiante, par rapport à la teneur en Aluminium
dans l’alliage AlGaN de : a) l’énergie de gap, b) la constante de réseau, c) la résistivité ρ, la
concentration n et la mobilité des électrons μ ………………………………………………10
Figure I.4:A) Variation du gap en fonction de la composition de l’alliage   cubique
en fonction de la concentration en Aluminium ,B) même variation calculée pour la phase
hexagonale des alliages avec et sans contraintes …………………………………………….12
Figure I.5: Variation du gap d’lnGa N, en fonction de la fraction de mole In …………13
Figure I.6: Mobilité des électrons dans AlxGa1-xN, en fonction de la fraction de mole Al ...14
Figure I.7: Mobilité des électrons dans InxGa1-xN, en fonction de la fraction de mole In ….15
Figure I.8: Contribution des différents moments dipolaires pour la génération de la
polarisation spontanée ………………………………………………………………………..18
Figure I.9 : Polarités gallium et azote dans GaN hexagonal………………………………….18
Figure I.10: Génération d’un champ électrique E et de la charge surfacique par la polarisation
spontanée dans un cristal GaN würtzite polarité gallium……………………………………..19
Figure I.11: Effet de contrainte sur la polarisation et la charge surfacique d’une couche GaN
polarité gallium……………………………………………………………………………….20
Figure II.1 Structure d'un transistor HEM…………………………………………………….24
Figure II.2 Canal 2DEG et bande de conduction de l’hétéro-structure AlGaN/GaN …..……25
Figure II.3: Les trois types d’hétérojonctions entre deux semi-conducteurs A et B ayant des
énergies de bande interdite Eg(A) et Eg(B). …………………………………………………26
Figure II.4 : Diagramme des bandes d’une hétérojonction à l’équilibre……………………...26
Figure II.5: Diagramme de bande d’une hétérojonction en polarisation direct ……………...27
Figure II.6 : Structure d’un transistor HEMT………………………………………………...28