Réalisation et optimisation de transistors HEMT GaN forte puissance et haute fréquence par technologie de transfert de couches sur substrat hôte PDF Download
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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: Mahmoud Abou Daher Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 167
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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.
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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.
Author: Auxence Minko Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 210
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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.
Author: Mohamed Reda Irekti Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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Le nitrure de gallium (GaN) constitue le meilleur candidat pour la réalisation de transistors de type HEMT de puissance fonctionnant à haute fréquence. A l'heure actuelle, en raison de la faible disponibilité de substrats GaN, la plupart des dispositifs sont fabriqués par hétéro-épitaxie sur des substrats Si, SiC, ou saphir. Jusqu'à présent, aucun de ces substrats n'a permis la croissance directe de GaN de haute qualité cristalline. Par conséquent, le développement de ces technologies doit faire face à de nombreux défauts (densités de dislocations de l'ordre de 108-1010cm-2) et à des contraintes mécaniques notables (plusieurs centaines de MPa) apparaissant dans le matériau entrainant de nombreuses questions quant à la fiabilité des dispositifs. Le but de cette thèse est de qualifier de nouveaux dispositifs électroniques de type HEMT pour les applications RF à partir d'une nouvelle stratégie de substrat GaN présentant une haute qualité cristalline. A partir de substrats GaN free-standing, le CRHEA a fait croitre une couche tampon de GaN suffisamment épaisse et résistive pour limiter le couplage du substrat avec l'hétérostructure AlGaN / GaN et ainsi minimiser les courants de fuite et les pertes de propagation RF. La technique de croissance MOVPE permettra d'obtenir des films de GaN épais tout en contrôlant la résistivité par auto-compensation de carbone. La croissance de l'hétérostructure AlGaN/GaN a été ensuite développée sur ces substrats. Le procédé technologique de fabrication des composants HEMTs AlGaN/GaN sur substrat GaN pour des applications RF a été développé à l'IEMN. La lithographie électronique a permis de réaliser des composants avec des longueurs de grilles en T ultra-courtes (jusqu'à 70 nm). Les caractéristiques I-V en régimes DC et Pulsé et des mesures de paramètres S ont été effectuées pour déterminer les fréquences de coupure des transistors. Les mesures de puissance hyperfréquence à 18 GHz et à 40 GHz ont démontré un résultat représentant l'état de l'art des HEMTs sur substrats GaN.
Author: Thi Dak Ha Nguyen Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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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.
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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.
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L'augmentation de la consommation électrique et l'évolution des besoins en électronique de puissance nécessitent de nouveaux composants intégrés de puissance ayant une forte densité de courant et assurant une meilleure efficacité de conversion d'énergie. La technologie des transistors à haute mobilité électronique en nitrure de gallium (HEMT GaN) est très prometteuse et répond à ces exigences énergétiques. Cependant, ces transistors présentent l'inconvénient d'être normally-on : le canal sous la grille est peuplé d'électrons même à une tension de grille nulle. Pour des raisons de sûreté de fonctionnement, la fonctionnalité normally-off s'avère être un réel besoin. Ce travail se consacre au développement technologique d'un transistor HEMT normally-off avec une grille à barrière P-GaN. La nouvelle structure proposée consiste à introduire une couche GaN dopé p (P-GaN) sous le contact de grille. Les résultats de de simulation sous Sentaurus TCAD ont montré que des tensions de seuil élevées peuvent être obtenues en réduisant l'épaisseur de l'AlGaN sous le P-GaN. Ce travail s'est focalisé sur la mise en place des briques technologiques nécessaires pour la réalisation de cette nouvelle structure, en particulier l'ouverture de grille et la reprise d'épitaxie localisée. Le développement de la gravure de grille en mode RIE à base du Cl2 a permis une maîtrise d'ordre nanométrique des profondeurs de l'AlGaN gravé. La rugosité obtenue après gravure, bien que plus élevée que celle initiale des couches, reste acceptable pour un mode de gravure RIE. La reprise d'épitaxie localisée du P-GaN a été testée avec les deux techniques de croissance que sont la MOCVD et la MBE. Cette dernière a permis l'obtention de meilleurs résultats en termes d'uniformité de couche. Une étude sur les contacts ohmiques et Schottky a aussi été menée dans le but de déterminer les empilements métalliques adaptés à la structure proposée. Une optimisation des étapes élémentaires du procédé technologique, comme les paramètres d'insolation, la passivation et l'isolation des composants, a été effectuée en vue de réaliser le dispositif proposé.
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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: Nicolas Baron Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 262
Book Description
Des avancées significatives dans la synthèse des matériaux semiconducteurs à large bande interdite de la famille de GaN permettent aujourd’hui la réalisation de dispositifs optoélectroniques (diodes, lasers) mais aussi celle de dispositifs électroniques (transistor). L’absence de substrat natif GaN ou AlN a pour conséquence le recours à l’hétéroépitaxie sur des substrats de nature différente comme le silicium qui présente un grand intérêt de par son prix très compétitif, la taille des substrats disponibles et sa conductivité thermique. Néanmoins, les différences de paramètres de maille et de coefficients d’expansion thermique génèrent des défauts cristallins et des contraintes dans les matériaux élaborés qui peuvent, s’ils ne sont pas maîtrisés, dégrader les performances des dispositifs. Ce travail de thèse a porté sur la croissance par épitaxie par jets moléculaires (EJM) d’hétérostructures à base de GaN sur substrat Si(111) en vue de la réalisation de transistors à haute mobilité d’électrons (Al,Ga)N/GaN. Ce travail avait pour objectif l’identification des paramètres de croissance susceptibles d’avoir un impact notable sur la qualité structurale et électrique de la structure HEMT (High Electron Mobility Transistor), et notamment sur l’isolation électrique des couches tampon et le transport des électrons dans le canal. Nous montrerons l’impact notable de certains paramètres de la croissance sur la qualité structurale et électrique de la structure HEMT. Nous verrons comment la relaxation des contraintes est liée au dessin d’empilement des couches, à leurs conditions d’élaboration et à la densité de défauts.
Book Description
TRANSISTORS A HETEROJONCTION GAALAS/GAAS. APRES UN RAPPEL THEORIQUE DES PROPRIETES DES HETEROJONCTIONS, UN AVANT PROJET D'UN TRANSISTOR DESTINE A L'AMPLIFICATION HAUTE FREQUENCE DE PUISSANCE A ETE PROPOSE. NOUS AVONS ENSUITE PRESENTE LES DIFFERENTES METHODES D'OBTENTION DES COUCHES NECESSAIRES AUX DISPOSITIFS, EPITAXIE EN PHASE LIQUIDE, EPITAXIE PAR JETS MOLECULAIRES, DEPOT EN PHASE VAPEUR A PARTIR D'ORGANOMETALLIQUES. CES ETUDES ONT PERMIS D'AFFINER CHACUNE DES METHODES ET DE DEFINIR DANS CHAQUE CAS LES CONDITIONS OPTIMALES DE REALISATION. ENFIN, NOUS AVONS ANALYSE ET COMPARE LES DIFFERENTS PROCEDES MIS A NOTRE DISPOSITION POUR REALISER ENTIEREMENT LES TRANSISTORS, UN PROCESSUS OPTIMUM A AINSI PU ETRE DEFINI. LES DISPOSITIFS REALISES SONT PRESENTES ET LES RESULTATS OBTENUS DISCUTES, OUVRANT LA VOIE AU DEVELOPPEMENT DES CIRCUITS INTEGRES BIPOLAIRES ASGA
Author: Mahmoud Abou Daher
Author: Mahmoud Abou Daher
Author: Jean-Claude Gerbedoen
Author: Auxence Minko
Author: Mohamed Reda Irekti
Author: Thi Dak Ha Nguyen
Author: Samira Bouzid-Driad
Author: Chaymaa Haloui
Author: Yannick Douvry
Author: Nicolas Baron
Author: Mohamed Jalal Termanini