Book Description
Les semiconducteurs basés sur les nitrures III - N à large bande interdite présentent un intérêt croissant pour la recherche et le monde industriel. Parmi eux, les composants de puissance à base de nitrure de gallium constituent un domaine de recherche majeur de l'électronique à l'état solide pour les applications hyperfréquences. Les travaux décrits dans cette thèse correspondent à la conception et à la réalisation de transistors de puissance à haute mobilité pour l'amplification en bandes X et Ku (8-18 GHz). L'évolution continue des hétérostructures demande de constantes rétroactions avec le procédé technologique. Dans ce but, l'approche utilisée a consisté au développement et à l'optimisation des briques technologiques de base, associée à l'analyse physique indispensable à l'optimisation des choix technologiques. Une étude fine des contacts ohmique et Schottky a été entreprise. Une optimisation des conditions de réalisation des fossés de grille, du contact ohmique, des métallisations, du prétraitement de surface et de la nature du diélectrique de passivation a été nécessaire. L'ajout d'une électrode de champ a été étudiée afin d'améliorer davantage la tenue en tension des composants et minimiser l'impact des pièges de surface. Dans ce cadre, nous avons conçu et développé différentes topologies de plaque de champ. Plusieurs diélectriques innovants comme le nitrure de bore ont été testés afin d'établir les potentialités de ces transistors HEMTs à grille isolée. L'ensemble de cette technologie optimisée a été appliquée sur une couche HEMT AlGaN/GaN sur substrat Si (001) et a permis d'établir un état de l'art en puissance à 10GHz pour cette nouvelle filière bas coût.
Book Description
Les transistors à haute mobilité électronique à base de GaN (HEMTs) constituent une filière prometteuse pour l'amplification de puissance dans la gamme des fréquences micro-ondes et des applications dans le domaine millimétrique. Les propriétés physiques exceptionnelles du GaN, sont à l'origine de performances attrayantes obtenues avec les dispositifs à base de GaN, comparées aux autres technologies III-V, en termes de densité de puissance jusqu'à 94GHz pour des applications en télécommunications ou militaires.Cette thèse traite de la fabrication et de la caractérisation des transistors HEMTs AlGaN/GaN sur substrat de silicium (111) avec une fine épaisseur de barrière d'AlGaN et des longueurs de grilles très courtes. Des transistors à grilles décentrées ont été ainsi fabriqués et optimisés en réduisant l'espacement grille-source. Par conséquent, une amélioration significative de la transconductance et des fréquences de coupure FT et FMAX a été obtenue. De plus, un maximum de transconductance de 435 mS/mm avec une bonne qualité de pincement pour une longueur de grille de 110 nm a été démontré. D'autre part, des transistors HEMTs à grille double chapeaux ont été fabriqués. De bons résultats en termes de fréquence de coupure FMAX=206GHz et FT=100GHz ont été obtenus sur des HEMTs ayant une longueur de grille de 90nm et une distance source-grille de 0.25μm. Le maximum de transconductance associé est de 440mS/mm. Ces résultats attrayants obtenus montrent clairement que la technologie des transistors HEMTs GaN sur substrat silicium est une voie viable et prometteuse pour la réalisation de dispositifs à bas coût dans le domaine millimétrique.
Book Description
Cette thèse expose les travaux effectués au sein du laboratoire central de l’IEMN. La finalité de ce travail est de participer a l’optimisation des transistors HEMTs de la filière AlGaN/GaN sur substrat Si(111), au niveau de leur fabrication et de leurs propriétés électroniques, qui seront a terme intégrés dans des dispositifs de puissance hyperfréquence. Ce manuscrit expose dans un premier chapitre les principales propriétés physiques, électriques et mécaniques des matériaux choisis, ainsi que le principe de fonctionnement du HEMT. Ensuite, toutes les étapes technologiques permettant la conception et la fabrication du HEMT seront décrites dans le deuxième chapitre, parmi lesquelles ont été menées plusieurs études sur leur optimisation. Une attention particulière sera portée sur les verrous technologiques rencontrés durant cette thèse. Le troisième chapitre présente l’ensemble des études effectuées sur les composants fabriqués au laboratoire. Elles s’appuient sur l’analyse des caractéristiques électriques en régime statique, pulsé, et hyperfréquence. Le dernier chapitre concerne l’étude de la fiabilité de HEMT AlGaN/GaN sur substrat SiC de même topologie. Les défauts induits par l’utilisation prolongée de ces transistors seront mis en exergue.
Author: Auxence Minko Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 210
Book Description
Ce travail est axé sur le développement de la technologie de transistors sur une filière de semiconducteurs à large bande interdite de type nitrure d'élément III épitaxiés sur substrat silicium. Le but de cette thèse est de développer une technologie permettant de réaliser des transistors performants pour les applications de puissance (HPA) et les applications faible bruit (LNA). Les études sont basées sur le transistor à effet de champ à hétérojonction HEMT (High Electron Mobility Transistor). Dans ce mémoire nous développons les analyses et les résultats des HEMTs AlGaN/GaN sur substrat Si (111). Après avoir présenté les propriétés du matériau GaN et les conditions de croissance sur les différents types de substrat, nous montrons les outils . technologiques utilisés pour atteindre ce but. Les recherches menées en technologie concernent principalement l'amélioration des contacts ohmiques et la technologie de grille. La réalisation de grilles en T submicroniques de l'ordre de 0.15 [micron] a permis la fabrication de composants présentant des fréquences de transition extrinsèques proche de 60 GHz et Une transconductance extrinsèque de l'ordre de 280 mS/mm. Nous avons mis en évidence que les dernières améliorations réalisées sur l'épitaxie des couches alliées à l'optimisation de la technologie des transistors, permettent d'atteindre des performances en puissance de l'ordre de 2.6 W/mm à 10 GHz et des performances en bruit RF avec un facteur de bruit de 0.94 dB associé à un gain de 13 dB à 10 GHz.
Book Description
La filière GaN connaît actuellement un essor remarquable. En effet, les structures de transistors à effet de champ à base de GaN offrent un énorme potentiel pour des applications de puissance et/ou à haute température. Cette étude avait pour objectif de réaliser des transistors à effet de champ de type HEMT AlGaN/GaN épitaxié sur un substrat de saphir. Nous rapportons dans ce mémoire les différentes étapes technologiques que nous avons développés. Ainsi, nous avons étudié divers procédés technologiques permettant de réaliser des contacts ohmiques, d'isoler les composants les uns des autres (isolation par implantation ionique, par gravure sèche et par gravure humide) et de réaliser des contacts Schottky. Nous avons montré que ces transistors peuvent fonctionner en régime statique, à l'air, jusqu'à 550 °C. Nous avons également mis en évidence que la présence de pièges électriques pouvait être responsable d'une réduction du courant de drain et par conséquent limiter les performances en puissance de ces transistors en hyperfréquence. Afin de limiter ce problème, nous avons étudié l'influence de la passivation précédée de divers traitements de surface. Cela nous a permis de réaliser des transistors HEMT délivrant une densité de puissance de 5W/mm à 4GHz, ce qui se révèle être proche de l'état de l'art mondial (6,6 W/mm à 6 GHz).
Author: Mahmoud Abou Daher Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 167
Book Description
Le marché des télécommunications tire profit des nouvelles technologies Nitrures qui sont en véritable rupture de performances par rapport aux technologies traditionnellement utilisées. Les recherches actuelles ouvrent de nombreuses pistes et solutions alternatives afin de couvrir des contraintes parfois antagonistes de coût, de performances et/ou de fiabilité. La plupart des HEMTs AlGaN / GaN est fabriquée sur un substrat de silicium hautement résistif à faible coût ou sur substrat SiC beaucoup plus onéreux et sensible du point de vue approvisionnement. Les contraintes de performances électriques requises lors de l'intégration de ces technologies dans les systèmes radars, les satellites et en télécommunication rendent les HEMTs très dépendants au paramètre de température de fonctionnement, essentiellement liée à la forte puissance dissipée lors du transfert d'énergie statique/dynamique. En effet, ces composants sont capables de générer des densités de puissance élevées dans le domaine des hyperfréquences. Aussi, l'augmentation de la fréquence de fonctionnement s'accompagne d'une augmentation de la puissance dissipée engendrant le phénomène d'auto-échauffement qui influe sur les performances des composants (ID,max,ft,fmax...). Dans ce contexte, plusieurs solutions ont déjà été proposées dans la littérature (utilisations des substrats composites, passivation des composants, etc...). De plus, la technologie de transfert des HEMTs d'un substrat de croissance initial vers un substrat hôte de bonne conductivité thermique (tel que le substrat de diamant) est une solution prometteuse, encore peu détaillée à ce jour. L'objectif de ce travail de thèse est d'améliorer la dissipation thermique et donc les performances et la fiabilité des transistors HEMT hautes fréquences en utilisant la technologie de transfert de couche. Les hétérostructures AlGaN/GaN sont développées sur substrat de silicium par MOCVD au CHREA. Après la fabrication des HEMTs sur substrat de silicium au sein du laboratoire IEMN, les composants (pour lesquels le substrat silicium a été retiré) sont transférés sur un substrat de diamant. Ce transfert est obtenu grâce à un collage par thermocompression de couche d'AlN pulvérisées sur chaque surface à assembler (face arrière des transistors et substrat diamant). Le procédé de transfert développé n'a pas endommagé la fonctionnalité des transistors HEMTs AlGaN/GaN à faible longueur de grille (Lg = 80 nm). Les transistors de développement 2x35 μm transférés sur diamant présentent un courant ID,max = 710 mA.mm-1, une fréquence de coupure ft de 85GHz et une fréquence d'oscillation fmax de 144GHz. Toutefois, la technique de transfert mérite des phases d'optimisations (notamment pour diminuer l'épaisseur et améliorer la qualité cristalline et la conductivité thermique des couches d'AlN) afin de mieux satisfaire aux contraintes de réduction de résistance thermique de cette couche d'assemblage et ainsi limiter le phénomène d'auto-échauffement relevé à l'issue de ces travaux de thèse.
Author: François Lecourt Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 243
Book Description
Les Transistors à Haute Mobilité Electronique (HEMTs) à base de GaN sont les composants les plus prometteurs pour des applications de puissance en gamme d’ondes micrométriques et millimétriques grâce à leurs très bonnes propriétés physiques comme leur grande largeur de bande interdite (3.4eV), induisant un champ de claquage élevé (>106 V/cm) mais également une vitesse de saturation des électrons élevée (>107 cm/s). Dans ce travail, nous avons étudié les effets de canaux courts pour des transistors réalisés sur des hétérostructures AlGaN/GaN et InAlN/GaN. Des grilles de longueur (Lg=75nm) ont été fabriquées permettant d’atteindre des fréquences de coupure du gain en courant et en puissance respectives de 113GHz et 200GHz. Ces performances sont à l’état de l’art de la filière InAlN/GaN sur substrat saphir. En ce qui concerne les hétérostructures AlGaN/GaN, les pièges liés aux états de surface ont été stabilisés grâce à une étape de passivation optimisée consistant en un prétraitement N20 et un dépôt de bicouche SiN/SiO2. Cette dernière a permis de limiter les chutes de courant du transistor en régime dynamique. A partir d’une topologie adaptée, des résultats de puissance hyperfréquence à 40GHz ont été obtenus. Une densité de puissance au niveau de l’art de 1.5W/mm a été mesurée sur un HEMT AlGaN/GaN sur substrat Si(111). Pour une hétérostructure InAlN/GaN sur substrat saphir, les résultats de puissance hyperfréquence sont également à l’état de l’art de la filière avec une densité de puissance en sortie du transistor de 2W/mm et un rendement en puissance ajoutée de 13%.
Book Description
Ce travail concerne le developpement des transistors hemts dans les filieres gaas et inp pour l'amplification de puissance en gamme millimetrique. La premiere partie de ce travail traite des differentes etapes technologiques relatives aux deux filieres etudiees. Si dans le cas de la filiere gaas, les parametres technologiques n'ont pas necessite de reelle amelioration pour la realisation d'un transistor elementaire, nous avons du developper les etapes relatives aux transistors a grand developpement. Dans le cas de la filiere inp, toutes les etapes technologiques (contacts ohmiques et schottky, gravure selective et lithographie de grille a trois couches de resine) ont necessite un effort particulier quant a leur optimisation. Le deuxieme partie de ce travail est consacree a l'etude de la filiere inp. Des etudes de parametres technologiques et de couches actives se concretisent par la realisation d'un grand nombre de transistors avec la longueurs de grille de 0,25 m.. La caracterisation statique et hyperfrequence, nous a permis dans un premier temps, de mettre en evidence les principales limitations de cette filiere. Ces resultats ont servi dans un deuxieme temps, a definir deux structures originales. L'une d'entre elle nous a permis d'egaler l'etat de l'art en puissance a 60 ghz. La derniere partie presente les travaux menes dans la filiere gaas. Dans un premier temps, nous presentons les resultats d'etudes technologiques sur des epitaxies a un ou deux canaux pseudomorphiques. La validation de ces etudes s'est faite, en plus de la caracterisation statique ou hyperfrequence en petit signal, par la caracterisation en puissance a 26 ghz. Enfin, nous presentons les resultats d'un transistor de type metamorphique (alinas/gainas sur un substrat gaas).
Book Description
Ce travail porte sur la realisation de transistors a effet de champ dans les deux filieres de semiconducteurs inp et gan pour l'amplification de puissance hyperfrequences. La premiere partie est consacree a la realisation en technologie microruban d'elements passifs et actifs afin de concevoir un circuit de puissance a 60 ghz sur substrat d'inp. Une technologie originale de trous metallises a ete mise au point par voie chimique. Des elements passifs ont ete realises avec cette technologie et mesures en hyperfrequences afin de valider ou completer les modeles de la bibliotheque du simulateur mds. Des hemts ont ete realises en technologies microruban et coplanaire. L'analyse de leurs caracteristiques electriques n'a montre aucune degradation apportee par les trous metallises. Nous disposons ainsi de tous les elements necessaires a la realisation du circuit d'amplification.
Author: Thi Dak Ha Nguyen Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
Book Description
Cette thèse est une contribution aux développements de HEMTS AlGaN/GaN sur substrat de silicium pour des applications basses fréquences sous fortes tensions (typiquement 600V) comme les commutateurs pour la domotique ou les circuits de puissance des véhicules électriques. Elle a été menée en collaboration étroite avec Picogiga International qui a réalisé toutes les épitaxies. Elle est composée de trois parties : développement d'une technologie de fabrication, étude des courants de fuite, amélioration du pouvoir isolant de la barrière et recherche d'un comportement “normally off”. La réalisation de contacts ohmiques peu résistifs est l'étape cruciale de la fabrication des HEMTs AlGaN/GaN de puissance. Une optimisation de l'empilement des métaux utilisés, de la température et du temps de recuit ainsi que la recherche d'un compromis sur la distance métallisation - gaz d'électrons, nous a permis de réaliser des contacts ohmiques proches de l'état de l'art (0,5 Ohm.mm). L'origine des courants de fuite a été systématiquement étudiée sur cinq types d'épitaxies différentes. La distance grille - drain et les courants de fuites ont été identifiés comme étant les deux facteurs limitant la tension de claquage. Selon la structure, les courants de fuite ont lieu soit à travers la grille (~e-8 A/mm à 210V), soit en parallèle au canal (e-5 A/mm). Dans les deux cas, ces courants sont comparables aux courants de fuite au travers du tampon (i.e. courants mesurés entre deux mésas). Ces courants de fuite, ont été attribués aux couches de transition nécessaires à l'adaptation de l'épitaxie des couches de nitrure sur le substrat de silicium. La réalisation de HEMT AlGaN/GaN sur silicium pour les applications à haute tension passera donc par une amélioration de ces couches tampons.Nous avons démontré qu'il est possible d'améliorer l'isolation de la barrière en AlGaN grâce à une hydrogénation du matériau. En effet un traitement de surface des transistors par un plasma hydrogène permet, par diffusion, d'y incorporer de l'hydrogène qui passive les dislocations traversantes. Après traitement, les courants de fuite de grille sont réduits et la tension de claquage est repoussée à 400V avec des courants de fuite de l'ordre de e-6 A/mm. Dans ces conditions, le claquage a alors lieu en surface de l'échantillon, il n'est plus limité que par la distance grille-drain. Ce résultat ouvre la voie à la réalisation de HEMT à forte tension de claquage (V~600V).L'effet du plasma fluoré SF6 sur les caractéristiques électriques des HEMT (AlN/GaN)/GaN (la barrière est en super-réseaux AlN/GaN) a été étudié pour la première fois dans cette thèse. Les ions fluor incorporés dans cette barrière agissent comme des donneurs qui font augmenter la densité du gaz bi-dimensionnel d'électrons et décaler la tension de pincement vers les tensions négatives. Cet effet est à l'opposé de celui observé dans les HEMT à barrière en AlGaN. Ce résultat élimine la possibilité de réaliser les HEMT (AlN/GaN)/GaN “normally off” par un dopage au fluor, une technique simple et efficace qui donne de bons résultats sur les HEMT à barrière AlGaN. D'autre part, il apporte quelques réponses expérimentales aux prévisions théoriques d'utiliser le fluor pour les dopages de type n ou p dans les nitrures d'éléments III.
Author: Jean-Claude Gerbedoen
Author: Samira Bouzid-Driad
Author: Yannick Douvry
Author: Auxence Minko
Author: Yannick Guhel
Author: Mahmoud Abou Daher
Author: François Lecourt
Author: Frédéric Diette
Author: Stéphane Trassaert
Author: Thi Dak Ha Nguyen