Etude comparative des paramètres géométriques et électriques du transistor MESFET bigrille en GaAs et en 4H-SiC

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1 SETIT 27 4 RTH INTERNATIONAL CONFERENCE: SCIENCES OF ELECTRONIC, TECHNOLOGIES OF INFORMATION AND TELECOMMUNICATIONS MARCH 25-29, 27 TUNISIA Etude comparative des paramètres géométriques et électriques du transistor MESFET bigrille en GaAs et en 4H-SiC H. Djelti *, M. Feham * et M. Kameche ** * Laboratoire STIC, Département d électronique, Faculté des sciences de l ingénieur, Université Abou Bakr Belkaid, BP 23, 13 Tlemcen-Algérie Tel: Fax dj_mariahamida@yahoo.fr m_feham@mail.univ-tlemcen.dz ** Centre National des Techniques Spatiales, Arzew Oran-Algérie Résumé: cet article, présente les résultats d une étude bidimensionnel à base de la méthode des éléments finis, les caractéristiques statiques I (V) d un MESFET bigrille en GaAs et en 4H-SiC de, 5 µm de longueur des grilles. Tenant en compte l effet de quelques paramètres électriques et géométriques tel que l effet de dopage et l épaisseur de la couche active, de la température. Les résultats de simulation obtenus sur un composant de longueurs de grilles de,5 µm en tenant compte d un rapport non-linéare entre le coefficient de diffusion et la mobilité (pour un composant sur GaAs) prouvent que le contrôle des caractéristiques de sortie du MESFET bigrille est efficace comparativement au MESFET monogrille ainsi que l'obtention du niveau de courant important passe par l utilisation de dopage élevé du canal. Les résultats montrent aussi que les valeurs du courant drain source du DGMESFET sur 4H-SiC sont plus élevées comparativement du DGMESFET en GaAs, ainsi que la plage de la température pour DGMESFET en 4H-SiC est importante par rapport au DGMESFET en GaAs, ce qui confirme que ce composant fonctionne à haute température et fort gain en puissance. Mots clés : Elément finis, GaAs, DGMESFET, 4H-SiC. Introduction Le Carbure de Silicium (SiC) fut reconnu dès le début des années 196 pour ses qualités (champ électrique, vitesse de saturation et conductivité thermique). C'est un semi-conducteur à grande largeur de bande interdite ayant un gap compris entre 2.2 et 3.3eV selon son polytype (6H ou 4H). De plus, le SiC a un champ de claquage huit fois plus élevé et une conductivité thermique trois fois plus élevée que le Silicium, ce qui permet de fabriquer des composants pouvant supporter des tensions importantes ; ainsi le Carbure de Silicium présente des caractéristiques physiques très intéressantes pour des applications à hautes températures et à fortes puissances [1,2]. Le MESFET bigrille en GaAs est un dispositif très puissant en micro-ondes offrant plus de gain et un éventail de possibilités fonctionnelles qu'un MESFET conventionnel de simple-grille (SGFET). Un amplificateur en un seul étage a démontré un gain linéaire de 9,1 db et une gamme dynamique de 3 db. Un amplificateur équilibré à deux étages a fourni un gain linéaire de 16,5 db et la puissance maximum de rendement de 25,3 dbm à 33 GHz.

2 Ce dispositif peut convenir à l'application dans les systèmes à réseaux de dipôles pour des satellites de communications et des systèmes de radar [3]. modèle analytique de transistor MESFET bigrille sur GaAs et 4H-SiC, basé sur la résolution d'un ensemble d'équations régissant les phénomènes de transport de charges à l'intérieur du transistor Le MESFET bigrille en GaAs a fait l'objet ces dernières années d'un intérêt particulier parce qu'il se révèle être un composant présentant des potentialités intéressantes dans de nombreux domaines Amplificateur à gain contrôlé (V.C.A), Oscillateur contrôlé, Mélangeurs, Multiplicateur de fréquence, etc [4] Le MESFET bigrille est un candidat attirant pour des applications de commutation de microonde, en raison de leur gain élevé et de la vitesse rapide de commutation. Avec La structure à double grille le gain en courant augmente également le gain en tension et l impédance de sortie plus grande. Deux points distinctifs du MESFET bigrille sont : Contact des grilles fabriqué sans traitement thermique.taille réduite de l'électrode de grille.bonne performance en haute fréquence; Dispositifs particulièrement intéressants pour les semiconducteurs III-V car la structure MOS est très difficile à réaliser avec ceux-ci à cause des problèmes reliés à la compatibilité semiconducteur/bons isolants. L hypothèse fondamentale de l étude du transistor bigrille consiste à admettre que le bigrille peut être considéré comme équivalent à l association de deux mono-grilles tel que schématisé sur la figure 1: [5,6,7] Pour simuler le MESFET bigrille, nous avons utilisé la méthode des éléments finis associée une résolution bidimensionnelle de l'équation de Poisson (1) et de continuité de courant (2). div V = q ε ( N N r N J = t Le vecteur densité de courant par la relation suivante : r E = V D ) (1) (2) r J est donné r J = q( µ ( E). N. gradv + D( E). gradn) (3) (4) La structure simulée est représentée sur la figure 2, dans laquelle les contacts ohmiques de source et de drain sont verticaux ayant le profil de dopage et les propriétés physiques et électriques présentées dans le tableau suivant. Paramètres GaAs 4H-SiC Lg1 et Lg2 (µm).5.5 a(µm).4.4 N D (cm -3 ) VG2S T G2 G1 VG1S (a) VDS G2 G1 T2 T1 (b) D2 S2 D1 S1 S V bi (V).7.7 E c (KV/cm) V s (cm/s) , µm 1 16 cm -3 G1.5µm.4µm D Figure 1 : Modèle à deux monogrilles en cascade. G2 1. Equations Fondamentales Il est très intéressant de disposer un modèle dont les principaux paramètres sont directement liés aux caractéristiques physiques et géométriques du composant. C'est dans cette optique qu'un Figure 2: Structure bidimensionnelle simulée du MESFET bigrille 2. Résultat et discussions 2.1. Caractéristiques de sortie I (V)

3 Nous avons représenté sur la figure 3 les caractéristiques Ids (Vds) pour DGMESFET en GaAs pour Vg1s égale à.3 V et Vg2s variable. On peut constater en particulier que le courant de drain se sature avant le pincement du canal; ceci est du au fait que la longueur du canal est courte, ce qui permet au champ électrique d atteindre des valeurs appréciables rapidement, et par conséquent, la saturation rapide de la vitesse des porteurs dans le canal. La figure 3 montre également quelques caractéristiques des FET s en GaAs tel que l extension latérale de la zone de charge d espace et la légère résistance différentielle négative dans les courbes Ids (Vds). Cette caractéristique est le fait que l intensité du champ électrique qui varie le long du canal, donne lieu à une charge d accumulation dans la région du canal où E> Ec et une charge de déplétion dans la région où E<Ec. La figure 4 montre les caractéristiques de sortie du DGMESFET en 4H-SiC, On constate qu il n y a pas une nette saturation de courant c est pourquoi le MESFET SiC est destiné pour les applications haute tension et par suite hautes puissances Effet de dopage et l épaisseur de la couche active Nous présentons respectivement sur les figures 5 et 6 7 et 8 l évolution du courant drain Ids(Vds) en fonction de dopage et de l épaisseur de la couche active pour DGMESFET en GaAs et 4H-SiC. Nous remarquons que le courant I DS augmente lorsque le dopage augmente, donc lorsque la résistivité diminue. La première conclusion qui s impose est que nous avons intérêt à choisir un semi-conducteur de faible résistivité si nous voulons réaliser un transistor de moyenne puissance et un semi-conducteur d une résistivité très élevée si nous voulons réaliser un transistor de haute puissance. Généralement dans les transistors MESFET bigrille à contacts sur le même plan, une diminution de l épaisseur de la couche active entraîne une augmentation de la transconductance. Dans le cas de notre structure MESFET bigrille à contacts verticaux, une diminution de l épaisseur de la couche active provoque une diminution des longueurs des contacts ohmiques (source et drain) et donc une diminution du courant drain I ds Vg2s =.2 V Vg2s = -.1 V Vg2s = -.25 V Vg2s = -.4 V a =.25 um a =.4 um a =.5 um Figure 3 : Caractéristiques de sortie simulées du DGMESFET sur GaAs pour Vg1s =.3 V et Vg2s variable avec (Rs=Rd=Ω ) et Vs=.97x1 7 cm/s Figure 5: Influence de l épaisseur de la couche Active pour DGMESFET en GaAs,Vg1s=.3V et Vg2s=.2 V Vg1s =. V Vg1s = -.5 V Vg1s = -.75 V Vg1s = -1 V Nd = cm -3 Nd = cm -3 Nd = cm Figure 4 : Caractéristiques de sortie simulées du DGMESFET sur 4H-SiC pour Vg2s =. V et Vg1s variable avec ( R S = R D = Ω) et V S = cm/s Figure 6: Influence du dopage pour DGMESFET en GaAs, Vg1s =.3 V et Vg2s =.2 V.

4 16 14 a =.45 µm a =.4 µm a =.3 µm 1 par conséquent une dégradation des performances en terme de fréquences FMAX et FT Lg1 = Lg2 =.35 µm Lg1 = Lg2 =.4 µm Lg1 = Lg2 =.5 µm Figure 7: Influence de l épaisseur de la couche Active pour DGMESFET en 4H-SiC, Vg1s=V et Vg2s=.3 V Figure 9: Influence de la longueur des grilles pour Vg1s =.3 V et Vg2s =.2 V Nd = cm -3 Nd = cm -3 Nd = cm Lg1 = Lg2 =.4 µm Lg1 = Lg2 =.5 µm Vds(V) Figure 8 : Influence du dopage pour DGMESFET en 4H-SiC, Vg1s =. V et Vg2s =.3 V Figure 1 : Influence de la longueur des grilles pour Vg1s =. V et Vg2s =.3 V Influence de la longueur des grilles Les figures 9 et 1 présentent respectivement la variation du courant drainsource en fonction de la tension drain-source pour différentes longueurs des grilles pour DGMESFET en GaAs et en 4H-SiC. On constate que le courant drain de saturation diminue avec l augmentation de la longueur de grille. En effet, l extension latérale de la zone des charges d espace conduit à un allongement du canal conducteur tout en s amincissant; ce qui limite le passage des électrons. Cela veut dire que plus la grille est longue, plus le contrôle par la grille est efficace; par contre ceci provoque une augmentation de la capacité Cgs et 2.4. Effet de la température Nous exposons sur les figures l influence de la température sur le transistor MESFET planaire. Les performances et la fiabilité d un transistor sont fortement influencées par la température. La conduction le long du canal étant due aux porteurs majoritaires, elle ne sera modifiée par la température que pour une variation de certains paramètres (mobilité des électrons, la hauteur de barrière Schottky, la vitesse de saturation, la constante diélectrique et même la résistance spécifique des contacts ohmiques).

5 6 5 Si la température croit, l agitation thermique des porteurs croit, le nombre des porteurs croit également et par conséquent la mobilité des porteurs majoritaires du canal diminue, ce qui provoque une diminution du courant Ids. De même la hauteur de barrière de potentiel diminue quand la température augmente, donc la zone désertée se rétrécit, par contre la largeur du canal augmente et par conséquent le courant drain décroît. Nous avons remarqué qu il n y a pas de risque d emballement thermique avec cette structure (figures 11 et 12). La mobilité tend à augmenter lorsque la température diminue, ainsi la transconductance du transistor à la fréquence fondamentale décroît en fonction de la température.. Pour le GaAs la figure 13 présente respectivement la distribution des électrons pour deux points différentes de polarisation de grille Vg1s=.2 V et Vg2s=.2V et -.4 V, pour une tension de drain de 5V. Pour le 4H-SiC la figure 14 présente respectivement la distribution des électrons pour deux points différentes de polarisation de grille Vg1s= V et -.75 V et Vg2s=.3 V, pour une tension de drain de 5V. A large polarisation les figures 13-a et 14-a illustrent le phénomène d accumulation sous la grille pour la distribution des électrons. Cette accumulation significative des électrons est due par la large région de résistance différentielle négative de la courbe de vitesse en fonction de champ électrique. Cette zone d accumulation disparaît graduellement avec l augmentation de la tension grille jusqu'à la déplétion complète du canal où apparaît le pincement (figures 13-b et 14-b). 4 3 Concentration en 2 1 T = 25 K T = 35 K T = 275 K T = 375 K T = 3 K T = 4 K T = 325 K Figure 11: Effet de la température sur DGMESFET en GaAs pour Vg1s =.3 V et Vg2s=.2 V. 1 8 T = 3 K T = 325 K T = 35 K T = 4 K T = 475 K a) Concentration en a) Figure 12 : Effet de la température sur DGMESFET en 4H-SiC, Vg1s =. V et Vg2s =.3 V. b) Figure 13: Les répartitions des électrons dans le DGMESFET 4H-SiC, pour Vds =5V, et V g2s=.3 V a) Vg1s=. V b) Vg1s= -.75 V

6 Concentration en longueurs de grilles réduites (grilles submicroniques) et pour un canal fortement dopé. les résultats obtenus montrent que les valeurs du courant drain source du DGMESFET en 4H-SiC sont très élevées par rapport à celle du DGMESFET en GaAs, ce qui confirme la suprématie du SiC sur le GaAs du point de vue puissance et par conséquent atteste la validité du modèle numérique développé. Finalement nous pouvons constater que le DGMESFET en 4H-SiC peut fonctionner à haute température. a) b) Concentration en Figure 14: Les répartitions des électrons dans le DGMESFET GaAs, pour Vds =5V, et V g1s=.3 V c) Vg2s=.2 V d) Vg2s= -.4 V REFERENCES [1] :CHRIS HARRIS «Le Carbure de Silicium (SiC)»pp.2-6 [2] : Naji Arssi «Le carbure de Silicium pour les interrupteurs de puissance commandés», Thèse Insa de Lyon Cegely 2. [3]: H. DJELTI «Analyse et modélisation petit signal du transistor MESFET bigrille microondes», Thése de Magister, Université de Tlemcen, 25. [4]: R. CASTAGNE J. PDUCHEMIN M. GLOANEC CH. RUMELHARD «Circuits intégrés en Arséniure de Gallium», MASSON, [5]: M. Bouhess «Propriétés des transistors MESFET bigrille et caractérisation des échantillons», thèse de Magister, université de Lille, France, [6]: M. Ibrahim, B. Syrett, and J. Bennett «A new analytical small-signal model of dualgate GaAs MESFET» IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, pp , May 21. [7]: W. Deng and T. Chu Elements extraction of GaAs dual-gate MESFET small-signal equivalent circuit" IEEE Trans.Microwave Theory Tech., vol. 46, pp , Dec Conclusion Nous avons modélisé la structure verticale du transistor MESFET bigrille en GaAs et en 4H-SiC, Cette étude comparative a permis de mettre en évidence l'influence de divers paramètres sur le comportement du MESFET bigrille sur GaAs et 4H-SiC. Nous avons montré que les meilleures performances de ce composant sont obtenues pour une épaisseur faible de la couche active, pour des