Développement de briques technologiques pour la réalisation de transistor MOS de puissance en Nitrure de Gallium PDF Download
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Author: Elias Al Alam
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Category :
Languages : fr
Pages : 178
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Book Description
Les potentialités du nitrure de gallium (GaN), semiconducteur à large bande interdite, en font un matériau particulièrement intéressant en électronique de puissance, notamment pour des applications haute tension, haute température et haute fréquence. L'objectif de ce travail de thèse était de développer les briques technologiques nécessaires à la réalisation de transistors MOS de puissance en nitrure de gallium (GaN). Après avoir évalué, dans premier temps, les bénéfices que pourrait apporter le nitrure de gallium en électronique de puissance, nous avons en effet opté pour la réalisation d'un interrupteur MOS normally-off en GaN, interrupteur indispensable dans de nombreuses applications de l'électronique de puissance. La réalisation d'un tel dispositif passe par l'étape critique du dépôt du diélectrique de grille sur le semiconducteur, qui constitue la démarche universelle pour stabiliser et améliorer les performances d'un transistor. Le contrôle de la qualité de l'interface " diélectrique/GaN " est donc une étape fondamentale car elle influe sur les propriétés électriques du composant. Ce contrôle comprend le traitement de surface du semiconducteur, la formation de la couche interfaciale et le dépôt du diélectrique. Nous montrons qu'une étape d'oxydation du GaN sous UV, combinée à une oxydation plasma avant le dépôt du diélectrique, permet d'optimiser l'état de surface et de minimiser les contaminations à l'interface. Les mesures électriques, réalisées pour déterminer la densité de charges piégées à l'interface diélectrique/GaN ou dans le diélectrique, montrent des différences significatives liées au type de croissance du GaN (MBE ou MOCVD) et en particulier au type de dopage N ou P du substrat GaN. Des corrélations entre la physico-chimie d'interface et les propriétés électriques des structures sont illustrées. De plus, d'autres étapes technologiques nécessaires à la fabrication d'un MOSFET sur GaN ont été étudiées, en particulier les implantations ioniques de type N et P et la gravure ionique. Les résultats obtenus sur ces différentes briques technologiques permettront, dans un futur proche, la conception de transistors MOS de puissance en GaN, bien qu'il reste encore des défis scientifiques et technologiques à relever avant d'obtenir l'interrupteur de puissance idéal, c'est-à-dire un interrupteur normalement ouvert (normally-off), faibles pertes, forte puissance, haute fréquence et haute température.
Author: Elias Al Alam
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Languages : fr
Pages : 178
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Book Description
Les potentialités du nitrure de gallium (GaN), semiconducteur à large bande interdite, en font un matériau particulièrement intéressant en électronique de puissance, notamment pour des applications haute tension, haute température et haute fréquence. L'objectif de ce travail de thèse était de développer les briques technologiques nécessaires à la réalisation de transistors MOS de puissance en nitrure de gallium (GaN). Après avoir évalué, dans premier temps, les bénéfices que pourrait apporter le nitrure de gallium en électronique de puissance, nous avons en effet opté pour la réalisation d'un interrupteur MOS normally-off en GaN, interrupteur indispensable dans de nombreuses applications de l'électronique de puissance. La réalisation d'un tel dispositif passe par l'étape critique du dépôt du diélectrique de grille sur le semiconducteur, qui constitue la démarche universelle pour stabiliser et améliorer les performances d'un transistor. Le contrôle de la qualité de l'interface " diélectrique/GaN " est donc une étape fondamentale car elle influe sur les propriétés électriques du composant. Ce contrôle comprend le traitement de surface du semiconducteur, la formation de la couche interfaciale et le dépôt du diélectrique. Nous montrons qu'une étape d'oxydation du GaN sous UV, combinée à une oxydation plasma avant le dépôt du diélectrique, permet d'optimiser l'état de surface et de minimiser les contaminations à l'interface. Les mesures électriques, réalisées pour déterminer la densité de charges piégées à l'interface diélectrique/GaN ou dans le diélectrique, montrent des différences significatives liées au type de croissance du GaN (MBE ou MOCVD) et en particulier au type de dopage N ou P du substrat GaN. Des corrélations entre la physico-chimie d'interface et les propriétés électriques des structures sont illustrées. De plus, d'autres étapes technologiques nécessaires à la fabrication d'un MOSFET sur GaN ont été étudiées, en particulier les implantations ioniques de type N et P et la gravure ionique. Les résultats obtenus sur ces différentes briques technologiques permettront, dans un futur proche, la conception de transistors MOS de puissance en GaN, bien qu'il reste encore des défis scientifiques et technologiques à relever avant d'obtenir l'interrupteur de puissance idéal, c'est-à-dire un interrupteur normalement ouvert (normally-off), faibles pertes, forte puissance, haute fréquence et haute température.
Author: Chaymaa Haloui
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Languages : fr
Pages : 142
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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.
Author: Jean-Claude Gerbedoen
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Languages : fr
Pages : 301
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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: Lya Fontaine
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Languages : fr
Pages : 162
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Un des défis de notre époque est lié à la production et à la gestion de l'énergie électrique. Dans ce cadre, l'amélioration des composants à semi-conducteurs de puissance est une des clés pour répondre à ce défi. La grande majorité des composants de puissance actuels sont réalisés à base de silicium. Cependant, les exigences des applications de l'électronique de puissance en termes de tenue en tension, de densité de puissance, de température et de fréquence de commutation sont de plus en plus élevées. Les propriétés physiques intrinsèques des semiconducteurs à large bande interdite (SiC, GaN, Diamant) permettent d'envisager la conception et la fabrication de composants de puissance bien plus performants que les structures tout silicium. Dans ce contexte, nos travaux portent sur le développement et l'optimisation des étapes technologiques permettant la réalisation de composants de puissance MOS en diamant. Ils ont été réalisés dans le cadre du projet ANR MOVeToDIAM, coordonné par le LAAS-CNRS, dans la continuité des travaux sur diamant effectués au laboratoire depuis 2005. Le diamant est donc un semiconducteur à large bande interdite (Eg = 5,5 eV) particulièrement indiqué pour les applications fortes puissances et températures élevées. Il possède de fortes mobilités de porteurs (2200 cm2/V.s pour les électrons et 2050 cm2/V.s pour les trous), permettant le passage de fortes densités de courant, un champ de rupture élevé (Ec ~ 10 MV/cm) et une forte conductivité thermique (lambda ~ 20 W.cm-1.K-1) facilitant la dissipation thermique. Cependant, malgré ces propriétés prometteuses, de nombreux verrous technologiques sont encore à lever afin de conduire à la fabrication de composants de puissance sur diamant. Nous avons donc étudié et optimisé plusieurs étapes technologiques critiques afin de pallier les problèmes induits notamment par la petite taille des échantillons (2x2mm2 à 3x3mm2). Les étapes de photolithographie ont été développées et optimisées pour deux types de résine (AZ4999 positive et NLOF 2035 négative) à l'aide d'un Spray-Coater et d'une machine d'écriture directe par laser, améliorant ainsi fortement la résolution minimale, jusqu'à 1μm, des motifs définis sur les échantillons. Afin de caractériser les contacts ohmiques, nous avons développé deux structures de tests : le TLM droit (Transmission Line Method) et le TLM circulaire ou cTLM (Circular Transmission Line Method).[...].
Author: Rémi Comyn
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Languages : fr
Pages : 0
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L'intégration monolithique hétérogène de composants III-N sur silicium (Si) offre de nombreuses possibilités en termes d'applications. Cependant, gérer l'hétéroépitaxie de matériaux à paramètres de maille et coefficients de dilatation très différents, tout en évitant les contaminations, et concilier des températures optimales de procédé parfois très éloignées requière inévitablement certains compromis. Dans ce contexte, nous avons cherché à intégrer des transistors à haute mobilité électronique (HEMT) à base de nitrure de Gallium (GaN) sur substrat Si par épitaxie sous jets moléculaires (EJM) en vue de réaliser des circuits monolithiques GaN sur CMOS Si.
Author: Ralph Makhoul
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Languages : fr
Pages : 192
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L'augmentation de la consommation électrique mondiale nécessite l'amélioration des composants de puissance. Jusqu'à présent, la majorité de ces composants, principalement réalisés en Silicium, ont atteint un point de saturation en termes de compromis entre la tenue en tension et la résistance à l'état passant. Ainsi, les propriétés physiques intrinsèques prometteuses des semi-conducteurs à large bande interdite (SiC, GaN, Diamant) ouvrent la voie vers la réalisation des composants électroniques de puissance plus performants. Dans ce contexte, nos travaux portent sur la conception et la réalisation d'une diode TMBS (Trench MOS Barrier Schottky) verticale et d'un transistor MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) vertical à canal P et à grille en U en diamant qui supportent 6000 V et 1200 V respectivement à température ambiante. Ces deux structures ont été conçues dans le cadre du projet ANR MOVeToDIAM (MOS Vertical Tout DIAMant), coordonné par le LAAS-CNRS, dans la continuité des travaux sur diamant effectués au laboratoire depuis 2005. La conception de la diode TMBS et du transistor MOSFET est réalisée avec le logiciel SENTAURUS TCAD (Technology Computer Aided Design). Une méthodologie de conception est adaptée pour ces deux structures pour bien atteindre les critères de fonctionnement souhaités. Pour terminer, des briques technologiques essentielles ont été développées afin de réaliser la diode TMBS et le transistor MOSFET. Dans un premier temps, des contacts ohmiques sur des échantillons en diamant type P ont été réalisés, puis caractérisés électriquement à l'aide des motifs TLM (Transmission Line Method) droit. Ensuite, un procédé de gravure sèche RIE-ICP (Reactive Ion Etching - Inductive Coupled Plasma) a été développé pour obtenir la réalisation de la structure MESA de la diode TMBS et aussi pour l'ouverture de la grille en U du transistor MOSFET. Enfin, un dépôt de différents diélectriques (SiO2, Si3N4 et Al2O3) sur des échantillons en diamant a été réalisé afin d'évaluer la qualité du dépôt du diélectrique.
Author: Dimitri Bertrand
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Languages : fr
Pages : 0
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Cette thèse s'inscrit dans le cadre du développement d'une filière de transistors de puissance à base de nitrure de Gallium au CEA-LETI. Ces transistors, en particulier les HEMT utilisant l'hétérostructure AlGaN/GaN, présentent des propriétés très utiles pour les applications de puissance. L'essor de cette technologie passe notamment par le développement de contacts ohmiques peu résistifs. Cette thèse a pour objectif d'approfondir la compréhension des mécanismes de formation du contact ohmique sur une structure AlGaN/GaN. Dans un premier temps, une étude thermodynamique sur une dizaine de métaux de transition utilisables comme base de l'empilement métallique du contact a été menée, ce qui a permis de retenir une métallisation Ti/Al. Puis, les différentes réactions physico-chimiques de cet empilement avec des substrats nitrurés ont été étudiées en faisant varier la composition et les températures de recuit de formation du contact ohmique. Enfin, plusieurs études sur structure AlGaN/GaN couplant caractérisations électriques et physico-chimiques ont permis d'identifier des paramètres décisifs pour la réalisation d'un contact ohmique, peu résistif et nécessitant une faible température de recuit.
Author: Cyril Lagarde
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Languages : fr
Pages : 220
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L’avènement des technologies de transistors de puissance sur matériaux "grand gap" tels que le Nitrure de Gallium (GaN) permet d’envisager un saut technologique majeur pour la génération de puissance à l’état solide. Cette nouvelle technologie présente des possibilités intéressantes pour des amplificateurs de puissance micro-ondes, en termes de température de fonctionnement élevée, de densités de puissance élevées et de tensions de claquage élevées. Dans une première partie, ce travail concerne le développement d'un nouveau modèle non linéaire électrothermique tabulaire comprenant les effets de pièges sur un transistor HEMT AlGaN/GaN. Ce modèle a été alors utilisé, dans la deuxième partie de cette thèse, pour concevoir un amplificateur de puissance basé sur le principe Doherty. Cependant les contraintes de linéarité et de rendement imposées dans les communications spatiales constituent, encore à l’heure actuelle, un obstacle à l’utilisation de ces technologies. Afin de traiter ces contraintes, nous avons proposé et conçu un nouvel amplificateur Doherty ayant une architecture symétrique basée sur trois transistors HEMTs GaN. Les résultats expérimentaux ont montré des possibilités intéressantes de cette nouvelle structure Doherty en termes de rendement et de linéarité.
Author: Nicolas Vellas
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Languages : fr
Pages : 347
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Depuis cinq ans environ, l'institut s'est investi dans la réalisation de transistors HFET de puissance basés sur une hétérostructure AIGaN/GaN afin de concevoir des amplificateurs de forte puissance fonctionnant en bande S ainsi qu'en bande X. L'objectif de ces travaux était d'apporter un ensemble de méthodes de caractérisation afin d'expliquer le comportement des transistors GaN et d'identifier les différents problèmes liés à l'immaturité de cette technologie. Nous présentons, dans ce mémoire, les propriétés physiques du nitrure de gallium hexagonal et nous proposons un modèle Schrödinger-Poisson incluant les propriétés pyroélectrique et piézoélectrique du GaN afin de simuler la densité de porteurs à l'interface d'une hétérostructure AlGaN/GaN. L'influence de la contrainte résiduelle de la couche tampon de GaN sur la densité de porteurs est abordée. L'ensemble des structures étudiées durant ces travaux a été simulé et les résultats obtenus ont été comparés à ceux issus des mesures post et pré fabrication des transistors. La physique du Schottky est ensuite abordée, et nous montrons par des mesures C(V), que malgré son aspect ionique, le GaN présente un ancrage du niveau de Fermi. L'étude en direct des diodes grille-source et grille-drain a montré que l'etfet tunnel assisté par des défauts est le phénomène de conduction prépondérant dans ces diodes Schottky. Cet effet, lié aux états de surface, est responsable des forts coefficients d'idéalité mesurés. L'étude statique des transistors en régimes continu et pulsé a montré la présence de pièges électriques et leurs influences sur le courant de drain. Nous expliquons le concept de la grille virtuelle, l'influence de centres profonds dans la barrière et l'impact de l'injection de porteurs chauds dans le buffer. Nous présentons les résultats de puissance obtenus à 4 GHz et nous montrons que la plupart des transistors présentent un écart important entre les résultats attendus et expérimentaux. Le système de mesure grand signal développé a pennis de montrer que le courant de drain maximum à 4 GHz s'écroule lorsque l'impédance de charge augmente. Nous avons attribué cet effet à l'accumulation d'électrons en surface dans l'espace grille-drain qui favorise la formation d'une grille virtuelle provoquant la désertion du canal. Enfin, les résultats d'intennodulation biton présentés montrent que les transistors HFET à base de GaN ont un comportement plus linéaire que ceux issus des technologies GaAs.
Author: Matthieu Werquin
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Languages : fr
Pages : 267
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Book Description
Le développement des systèmes modernes requière la conception d'amplificateurs de puissances aux performances croissantes afin de répondre aux demandes toujours plus exigeantes du marché. Les matériaux à base de nitrure permettent d'améliorer les performances en puissance hyperfréquences de ces dispositifs. Les travaux réalisés dans ce mémoire portent sur l'étude des caractéristiques expérimentales et de la modélisation des transistors HEMT à base de GaN en vue de leur utilisation dans ces dispositifs. La première partie de ce travail situe la filière nitrure de gallium dans le contexte actuel du marché des hyperfréquences. Les paramètres de cette filière sont comparés aux filières usuelles et par rapport aux besoins des applications hyperfréquences afin de prouver le potentiel du GaN pour ces applications. La suite de ce travail présente l'étude des caractéristiques expérimentales des composants de la filière nitrure de gallium. Plusieurs composants représentatifs sont sélectionnés et leurs caractéristiques théoriques et expérimentales sont comparées et analysées. Cette comparaison met en évidence d'une part le fort potentiel du GaN pour les applications de puissance hyperfréquences et d'autre part les limitations qui y sont encore associées. Différentes techniques de caractérisation ont été développées et appliquées afin de comprendre l'origine de ces limitations. La dernière partie présente la modélisation que nous avons développés pour les transistors à base de GaN. Dans un premier temps l'évolution du schéma équivalent linéaire, adaptée à ces composants est présenté. Les différentes procédures de mesure et d'extraction de ce modèle sont discutées et validées. Dans un deuxième temps, la détermination d'un modèle non linéaire a été entreprise. Différents modèles sont développés et appliqués aux composants nitrures. Ceux-ci sont ensuite validés par la comparaison systématiques avec les mesures en régime statiques, petit et grand signal.
