Le transistor HEMT : du matériau au composant

Chapitre I -B

Propriétés des matériaux III-V


Les matériaux III-V sont constitués des éléments des colonnes IIIb et Vb de la classification périodique des éléments. Le tableau I-1 regroupe un extrait de cette classification (les chiffres en haut et en bas représentent respectivement le nombre atomique et la masse atomique) . Ainsi, de nombreux composés binaires peuvent être réalisés.

 

IIIb IVb Vb
5

B

10,81

6

C

12,01

7

N

14,01

13

Al

26,98

14

Si

28,09

15

P

30,97

31

Ga

69,74

32

Ge

72,59

33

As

74,92

49

In

114,82

50

Sn

118,69

51

Sb

121,75

tableau I-1 : extrait de la classification périodique des éléments.

L'étude de leur structure de bandes montre toutefois, que les éléments les plus légers donnent des composés dont la bande interdite est large et indirecte, et dans laquelle la masse effective des électrons est élevée. Des matériaux, comme les composés contenant du bore, ou de l'aluminium, sont ainsi moins intéressants pour l'électronique rapide. Le tableau I-2 résume cette situation en donnant l'énergie Eg de bande interdite, la masse effective m*/m0 (où m* et m0 sont respectivement la masse effective et la masse de l'électron dans le vide) des électrons du bas de la bande de conduction, la mobilité électronique à champ faible µ et le paramètre cristallin a.

Des semi-conducteurs binaires comme l'arséniure de gallium (GaAs), l'antimoniure de gallium (GaSb), le phosphure d'indium (InP), l'arséniure d'indium (InAs), l'arséniure d'aluminium (AlAs), mais également les alliages ternaires et quaternaires qui en découlent, présentent des propriétés très intéressantes pour les applications hyperfréquences. Ces alliages ternaires et quaternaires sont réalisés par substitution partielle de l'un des éléments par un élément de la même colonne. On sait, par exemple, obtenir des alliages du type GaxAl1-xAs ou du type GaxIn1-xAs.

 

Composé III-V Eg (eV) m*/m0 µ (cm²/V.s) a (Å)
B N 7,5     3,6150
Al P 2,45     5,4510
Al As 2,16     5,6605
Al Sb 1,58 0,12 200 6,1355
B P 2,0     4,5380
Ga N 3,36 0,19 380 a=3,189
c=5,185
Ga P 2,26 0,82 110 5,4512
Ga As 1,42 0,067 8500 5,6533
Ga Sb 0,72 0,042 5000 6,0959
In P 1,35 0,077 4600 5,8686
In As 0,36 0,023 33000 6,0584
In Sb 0,17 0,0145 80000 6,4794

tableau I-2 : propriétés des principaux composés binaires III-V à 300 K.

figure I-4 : évolutions de l'énergie de bande interdite et du paramètre cristallin des alliages de composés III-V.

Le diagramme de la figure I-4 représente les variations de l'énergie de bande interdite en fonction du paramètre cristallin a qui varie lui même avec la composition. Les points du graphe figurent la position des composés binaires stœchiométriques, et les lignes représentent l'évolution du gap Eg et du paramètre cristallin a, en fonction de la composition des alliages ternaires. Certaines lignes présentent un point anguleux qui dénote une transition entre un gap direct et un gap indirect. Ce diagramme est donc très important parce qu'il permet de connaître la composition de tout alliage ternaire susceptible d'être déposé en couche mince, par épitaxie, sur un substrat binaire comme GaAs ou InP. Les matériaux III-V offrent donc une grande variété de compositions permettant de modifier leurs propriétés électroniques.

Nous allons maintenant résumer quelques propriétés importantes de ces matériaux, comme la structure cristalline, la structure de bande ou les hétérojonctions formées à l'interface de deux matériaux différents. L'étude détaillée de ces matériaux a fait l'objet de plusieurs thèses [4] et ouvrages [5] auxquels on pourra se référer.

Structure cristalline

Structure des bandes d'énergie

Les hétérostructures de matériaux

 


 

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