Analyse électrique et en bruit basse fréquence et
haute-fréquence des technologies InAlN/GaN HEMTs

Le nitrure de gallium et ses dérivés ternaires 

Le GaN possède trois structures cristallines différentes : la structure hexagonale ou Wurtzite, la structure cubique ou Zinc Blinde et la structure sel gemme (rock salt en anglais) qui est une structure haute pression. La structure Wurtzite est la plus utilisée car elle est la plus stable thermodynamiquement. La figure I.2 présente les 3 structures cristallines du GaN. Puissance Fréquence Figure I.2: les différentes structures du GaN : (a) Wurtzite ; (b) Zinc Blinde et (c) rock salt Figure I.1: puissances accessibles en fonction de la fréquence des différents matériaux semiconducteurs . A température ambiante, les paramètres de maille de la structure Wurtzite sont : a = 0.318 nm et c=0.518 nm . Les paramètres de maille sont à prendre en compte lors de la réalisation d’hétérostructure afin de connaitre si cette dernière est contrainte ou non. Suivant la direction [0001] de la structure Wurtzite (cf. figure I.3), l’ordre d’empilement des atomes conduit à une asymétrie de la structure par rapport au plan perpendiculaire au plan [0001]. On trouve ainsi, deux structures Wurtzite : la structure appelée face-N de direction [000-1] et la structure face-Ga de direction opposée [0001]. Dans le HEMT, les différentes charges de polarisation piézoélectrique et spontanée vont être influencées par ces deux types de structure Wurtzite, il est donc nécessaire d’en tenir compte. La figure I.3 présente les deux types de structure Wurtzite du GaN. 

Polarisation spontanée 

La différence d’électronégativité entre l’atome de Ga (χGa = 1.6 eV) et l’atome de N (χN = 3 eV) entraîne une dissymétrie de répartition des charges dans la structure donc une forte polarité électronique. Il apparait donc une charge négative –Q autour de l’atome d’azote qui est plus électronégatif et une charge positive +Q autour de l’atome de gallium. Ainsi, les barycentres des charges positives et négatives dans la structure Wurtzite du GaN, dans l’AlGaN et l’InAlN, ne coïncident pas ce qui entraîne l’existence de la polarisation spontanée (Psp) qui est orientée suivant l’axe [0001]. Par convention, cet axe donne le sens positif de la polarisation spontanée. En effet, ce sens est celui partant de l’atome de gallium vers l’atome d’azote le plus proche (cf. figure I.4). La polarisation spontanée est donc indépendante des contraintes mécaniques du matériau car elle est due à l’existence de dipôles dans les liaisons entre le gallium, l’aluminium, l’indium et l’azote. Dans le cas des structures Wurtzite face-N de GaN relaxé, la polarisation spontanée conduit à une charge globale positive en surface +Q et négative -Q à l’opposé. Dans une structure Wurtzite face-Ga, la polarisation spontanée est opposée, les charges en surface sont donc négatives et positives à l’opposé [13]. (a) Face-N (b) Face-Ga [0001] [0001] Figure I.3: structures cristallines Wurtzite du GaN; a) face‐N [000‐1]; b) face‐Ga [0001] 24 La polarisation spontanée totale est donc la résultante des sommes des vecteurs de polarisation ܲప ሬሬԦ(i=1, 2, 3 et 4). Les polarisations spontanées du GaN, AlN et l’InN sont trouvées égales respectivement à -0.034 C.m-2, -0.09 C.m-2 et -0.042 C.m-2. Les valeurs négatives de ces polarisations montrent que les vecteurs ܲ sont opposés à la direction [0001]. En se basant sur les équations proposées par Ambacher et al [13], on peut calculer les polarisations spontanées des composés ternaires InAlN et AlGaN à partir des équations 4 et 5 pour un taux x en aluminium. On obtient une polarisation spontanée de -0.0418 C/m² et de -0.0720 C/m² respectivement pour l’Al0.2Ga0.8N et l’In0.17Al0.83N respectivement. Il est possible de retrouver à partir de ces équations, les valeurs de Psp des composés binaires AlN, InN et GaN en prenant x = 1 pour les 2 premiers et x = 0 pour le GaN. Il faut noter que dans les structures cubiques, il n’existe pas de polarisation spontanée à cause des barycentres qui coïncident produisant ainsi une bonne symétrie entre les charges.

Polarisation piézoélectrique

 L’existence de contraintes mécaniques dans les matériaux semiconducteurs peut induire une polarisation piézoélectrique Ppz qui vient s’ajouter ou se soustraire à la polarisation spontanée. La polarisation piézoélectrique est orientée suivant l’axe pour la structure hexagonale qui est celle qui correspond aux transistors étudiés au cours de ces travaux. La polarisation piézoélectrique est due au champ de déformation induit par l’application de contraintes mécaniques qui entraînent une déformation des liaisons covalentes entre l’atome de Ga et les atomes voisins de N. Figure I.4: polarisation spontanée et répartition des charges dans une structure Wurtzite du GaN La polarisation piézoélectrique suivant la direction peut être calculée à partir des éléments du tenseur piézoélectrique e33 et e31grâce à l’équation suivante Où ei est la déformation suivant l’axe i (x,y,z). La polarisation totale dans un matériau à base de GaN est donc la somme de la polarisation spontanée et de la polarisation piézoélectrique. Il faut noter que pour un matériau GaN relaxé il n y a pas de polarisation piézoélectrique. Ainsi dans les hétérostructures InAlN/GaN et AlGaN/GaN avec une couche épaisse de GaN qui est donc relaxée, les matériaux AlGaN et InAlN de couche mince peuvent subir des contraintes dites compressives ou des contraintes dites extensives. Les équations I.7 à I.9 permettent de calculer respectivement les polarisations piézoélectriques des hétérostructures InAlN/GaN, InAlN/AlN et AlGaN/GaN pour une fraction x d’aluminium. Dans les hétérostructures InAlN/GaN et AlGaN/GaN dans lesquelles les matériaux InAlN et AlGaN subissent des contraintes extensives, les polarisations spontanées et piézoélectriques ont la même direction. L’effet inverse est observé dans le cas des contraintes compressives. Dans le cas du matériau InAlN le pourcentage d’aluminium détermine la nature de la contrainte. Pour un pourcentage d’aluminium inférieur à 82 % (x < 0.82), l’InAlN va se trouver en compression sur le GaN et la polarisation Ppz deviendra non nulle et positive. Celle-ci va donc s’opposer à la polarisation spontanée. Pour un pourcentage d’Al supérieur à 82% (x > 0.82), on a une contrainte extensive. Cependant, pour un pourcentage d’aluminium d’environ 82 % (x = 0.82), la contrainte du matériau InAlN sur le GaN est très faible ce qui conduit à une polarisation piézoélectrique quasi nulle pour l’hétérostructure In0.18Al0.82N/GaN [14] [15]. La présence des polarisations spontanées a pour effet l’apparition des charges dont la densité surfacique peut atteindre 1013 cm -2. Ces charges participent à la conduction dans le HEMT sans dopage intentionnel du GaN. Le principe de fonctionnement du HEMT sera expliqué dans les paragraphes qui suivent. La polarisation piézoélectrique peut avoir des conséquences néfastes notamment l’apparition, à l’hétérointerface InAlN/GaN, de phonons acoustiques ou optiques qui peuvent interagir avec les électrons dans ces HEMTs . Cela peut ainsi créer des disfonctionnements liés aux effets parasites qui limitent les performances de ces transistors comme la réduction de la vitesse de saturation des porteurs dans le canal et donc l’effondrement du courant drain-source. Ainsi, les HEMTs InAlN/GaN dépourvus de polarisation piézoélectrique avec 82% d’Aluminium, peuvent fournir plus de courant que leur homologue AlGaN/GaN . La figure I.5 illustre les polarisations spontanées et piézoélectriques pour une hétérostructure InAlN/GaN en compression et en extension dans le cas des structures Wurtzite de GaN face Ga et face N.