Architecture des transistors de puissance

Récemment, beaucoup de travaux de recherche sur la technologie HEMT sont en cours dans la communauté scientifique et dont les propriétés pourront permettre l’amplification de puissance en bande K et Ka (26 – 40 GHz voire au-delà [1]). Dans ces bandes de fréquences les applications les plus courantes sont dédiées à la communication satellite civile.

Architecture des transistors de puissance

Transistor HEMT

Le HEMT (High Electron Mobility Transistors) appartient à la famille des transistors à effet de champ. Il est un cas particulier du MESFET (Métal Semi-conducteur Field Effect Transistor).Ce composant possède plusieurs dénominations dans la terminologie anglosaxonne, TEGFET (Two-dimensional Electron Gas Field Effect Transistor), MODFET (Modulation Doped Field Effect Transistor) mais également HFET (Heterojunction Field Effect Transistor) [2]. Ce dernier terme est toutefois généralement plutôt réservé à un autre composant à hétéro structure dans lequel le transport s’effectue dans un matériau dopé alors qu’il est non dopé pour le HEMT.

Principe de fonctionnement
La structure des couches des HEMTs est réalisée de façon à séparer physiquement les électrons libres dans le canal des donneurs ionisés, ceci afin d’augmenter la mobilité des électrons par la réduction de la répartition des impuretés ionisées. Ainsi la différence essentielle entre les MESFET et les HEMT se situe au niveau du principe même du contrôle du courant dans le canal. Alors que dans le cas du MESFET, l’électrode de grille contrôle la section du canal disponible pour la conduction, dans le cas du HEMT, elle contrôle la densité d’un gaz d’électrons libres dans une zone non dopée située sous l’hétéro interface qui constitue le canal du transistor  .

Le gaz d’électrons étant créé, il est possible de contrôler la densité de porteurs dans le canal par l’intermédiaire de la tension appliquée sur la grille, le puits de potentiel devient de plus en plus profond, permettant à un nombre plus grand d’électrons de diffuser dans le GaAs. Comme pour le MESFET, la tension Vds crée un champ électrique dans le canal qui entraîne les électrons de la source vers le drain, formant ainsi un courant Ids (drainsource). Pour des tensions de grille suffisamment négatives, la densité de porteurs dans le canal devient négligeable et aucun courant significatif ne circule dans le canal [3], le composant est alors pincé. L’évolution du courant de drain en fonction de la tension de drain et pour différentes valeurs de la tension de grille est sensiblement la même que pour le MESFET. De plus, un effet de saturation de courant intervient également pour le HEMT. Il provient de la limite de vélocité des électrons [3].

Structure technologique du HEMT conventionnelle
La structure du HEMT est constituée essentiellement de trois matériaux différents : le substrat, un matériau à grand gap et un matériau à petit gap. On retrouve les électrodes de source de grille et du drain [4].

Cette structure est définie comme suit [4]:
• La couche superficielle (appelée Cap Layer) est formée par un matériau de faible bande interdite, pour permettre la réalisation des contacts ohmiques de source et de drain. Cette couche est généralement fortement dopée afin de diminuer la valeur des résistances de contact et donc celle des résistances d’accès.
•La couche à grand gap non dopée (couche Schottky) est destinée à la réalisation du contact Schottky de grille, qui est déposé après gravure du Cap Layer (fossé de grille ou recess). Cette couche permet le contrôle de la densité de porteurs dans le canal et doit pour cela être suffisamment fine devant la longueur de grille.
• La couche de matériau à grand gap dopé a pour rôle de fournir les électrons libres à la structure : c’est la couche donneuse. Ce dopage, pouvant être volumique, est généralement réalisé par un plan de dopage silicium et est nommé ”δ − doping”. Il permet d’augmenter la tension de claquage du transistor sans diminuer la densité de porteurs du canal.
• Viens ensuite l’espaceur (spacer), une couche de matériau à grand gap non intentionnellement dopé (nid), permettant de séparer les atomes donneurs d’électrons de la couche donneuse, des électrons du canal.

Les interactions à distance électrons-impuretés ionisées sont ainsi réduites. Plus cette couche ne sera épaisse, meilleure sera la mobilité des électrons dans le canal. A l’inverse, le transfert des électrons de la couche donneuse dans le canal est favorisé par un espacer fin.
• Le canal est constitué d’un matériau à petit gap non intentionnellement dopé. Cette couche, importante dans la mesure où elle reçoit le gaz bidimensionnel d’électrons, déterminera les performances du composant à travers les propriétés de transport des électrons dans le matériau.
• Une couche tampon, communément appelée buffer, permet d’améliorer le confinement des électrons dans le canal en réduisant l’injection des porteurs vers le substrat. Cette couche permet également d’avoir un matériau de base de bonne qualité cristallographique nécessaire à la croissance des autres couches. Enfin, le substrat semi-isolant est un matériau binaire qui identifie la filière (GaAs) .

Transistor PHEMT

Dans les structures HEMT pseudo morphiques (pHEMT), la hauteur du puits quantique est augmentée sans que cela nécessite la présence de couches trop fortement dopées. Ce résultat est obtenu grâce à l’utilisation d’un matériau semi-conducteur de bande interdite plus faible que l’arséniure de gallium (GaAs), tel que l’InGaAs. La différence de structure cristallographique et physique entraine des phénomènes spécifiques tels que l’augmentation de la mobilité mais également des risques quand a la qualité cristalline.

Il est cependant intéressant de noter que pour une variation de seulement 1% du paramètre de maille, la hauteur du puits de potentiel du pHEMT peut augmenter de 30% par rapport a une structure HEMT classique [5]. Une augmentation du puits de potentiel peut permettre une importante élévation de la fréquence de transition (supérieures a 600GHz [6]). De p a r son f a ib l e niveau de bruit, le pHEMT a base de GaAs est un composant privilégié pour l’amplification faible bruit. Cependant sa tension de claquage se trouve réduite par rapport aux technologies grands gaps .