Réalisation et caractérisation de HEMTs AlGaN/GaN sur silicium pour applications à haute tension PDF Download
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Author: Thi Dak Ha Nguyen
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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: Thi Dak Ha Nguyen
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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.
Author: Eldad Bahat-Treidel
Publisher: Cuvillier Verlag
ISBN: 3736940947
Category : Science
Languages : en
Pages : 220
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Book Description
Gallium nitride (GaN)-based High Electron Mobility Transistors (HEMTs) for high voltage, high power switching and regulating for space applications are studied in this work. Efficient power switching is associated with operation in high OFF-state blocking voltage while keeping the ON-state resistance, the dynamic dispersion and leakage currents as low as possible. The potential of such devices to operate at high voltages is limited by a chain of factors such as subthreshold leakages and the device geometry. Blocking voltage enhancement is a complicated problem that requires parallel methods for solution; epitaxial layers design, device structural and geometry design, and suitable semiconductor manufacturing technique. In this work physical-based device simulation as an engineering tool was developed. An overview on GaN-based HEMTs physical based device simulation using Silvaco-“ATLAS” is given. The simulation is utilized to analyze, give insight to the modes of operation of the device and for design and evaluation of innovative concepts. Physical-based models that describe the properties of the semiconductor material are introduced. A detailed description of the specific AlGaN/GaN HEMT structure definition and geometries are given along with the complex fine meshing requirements. Nitride-semiconductor specific material properties and their physical models are reviewed focusing on the energetic band structure, epitaxial strain tensor calculation in wurtzite materials and build-in polarization models. Special attention for thermal conductivity, carriers’ mobility and Schottky-gate-reverse-bias-tunneling is paid. Empirical parameters matching and adjustment of models parameters to match the experimental device measured results are discussed. An enhancement of breakdown voltage in AlxGa1-xN/GaN HEMT devices by increasing the electron confinement in the transistor channel using a low Al content AlyGa1-yN back-barrier layer structure is systematically studied. It is shown that the reduced sub-threshold drain-leakage current through the buffer layer postpones the punch-through and therefore shifts the breakdown of the device to higher voltages. It is also shown that the punch-through voltage (VPT) scales up with the device dimensions (gate to drain separation). An optimized electron confinement results both, in a scaling of breakdown voltage with device geometry and a significantly reduced sub-threshold drain and gate leakage currents. These beneficial properties are pronounced even further if gate recess technology is applied for device fabrication. For the systematic study a large variations of back-barrier epitaxial structures were grown on sapphire, n-type 4H-SiC and semi-insulating 4H-SiC substrates. The devices with 5 μm gate-drain separation grown on n-SiC owning Al0.05Ga0.95N and Al0.10Ga0.90N back-barrier exhibit 304 V and 0.43 m × cm2 and 342 V and 0.41 m × cm2 respectively. To investigate the impact of AlyGa1-yN back-barrier on the device properties the devices were characterized in DC along with microwave mode and robustness DC-step-stress test. Physical-based device simulations give insight in the respective electronic mechanisms and to the punch-through process that leads to device breakdown. Systematic study of GaN-based HEMT devices with insulating carbon-doped GaN back-barrier for high voltage operation is also presented. Suppression of the OFF-state sub-threshold drain leakage-currents enables breakdown voltage enhancement over 1000 V with low ON-state resistance. The devices with 5 μm gate-drain separation on SI-SiC and 7 μm gate-drain separation on n-SiC exhibit 938 V and 0.39 m × cm2 and 942 V and 0.39 m × cm2 respectively. Power device figure of merit of ~2.3 × 109 V2/-cm2 was calculated for these devices. The impacts of variations of carbon doping concentration, GaN channel thickness and substrates are evaluated. Trade-off considerations in ON-state resistance and of current collapse are addressed. A novel GaN-based HEMTs with innovative planar Multiple-Grating-Field-Plates (MGFPs) for high voltage operation are described. A synergy effect with additional electron channel confinement by using a heterojunction AlGaN back-barrier is demonstrated. Suppression of the OFF-state sub-threshold gate and drain leakage-currents enables breakdown voltage enhancement over 700 V and low ON-state resistance of 0.68 m × cm2. Such devices have a minor trade-off in ON-state resistance, lag factor, maximum oscillation frequency and cut-off frequency. Systematic study of the MGFP design and the effect of Al composition in the back-barrier are described. Physics-based device simulation results give insight into electric field distribution and charge carrier concentration depending on field-plate design. The GaN superior material breakdown strength properties are not always a guarantee for high voltage devices. In addition to superior epitaxial growth design and optimization for high voltage operation the device geometrical layout design and the device manufacturing process design and parameters optimization are important criteria for breakdown voltage enhancement. Smart layout prevent immature breakdown due to lateral proximity of highly biased interconnects. Optimization of inter device isolation designed for high voltage prevents substantial subthreshold leakage. An example for high voltage test device layout design and an example for critical inter-device insulation manufacturing process optimization are presented. While major efforts are being made to improve the forward blocking performance, devices with reverse blocking capability are also desired in a number of applications. A novel GaN-based HEMT with reverse blocking capability for Class-S switch-mode amplifiers is introduced. The high voltage protection is achieved by introducing an integrated recessed Schottky contact as a drain electrode. Results from our Schottky-drain HEMT demonstrate an excellent reverse blocking with minor trade-off in the ON-state resistance for the complete device. The excellent quality of the forward diode characteristics indicates high robustness of the recess process. The reverse blocking capability of the diode is better than –110 V. Physical-based device simulations give insight in the respective electronic mechanisms. Zusammenfassung In dieser Arbeit wurden Galliumnitrid (GaN)-basierte Hochspannungs-HEMTs (High Electron Mobility Transistor) für Hochleistungsschalt- und Regelanwendungen in der Raumfahrt untersucht. Effizientes Leistungsschalten erfordert einen Betrieb bei hohen Sperrspannungen gepaart mit niedrigem Einschaltwiderstand, geringer dynamischer Dispersion und minimalen Leckströmen. Dabei wird das aus dem Halbleitermaterial herrührende Potential für extrem spannungsfeste Transistoren aufgrund mehrerer Faktoren aus dem lateralen und dem vertikalen Bauelementedesign oft nicht erreicht. Physikalisch-basierte Simulationswerkzeuge für die Bauelemente wurden daher entwickelt. Die damit durchgeführte Analyse der unterschiedlichen Transistorbetriebszustände ermöglichte das Entwickeln innovativer Bauelementdesignkonzepte. Das Erhöhen der Bauelementsperrspannung erfordert parallele und ineinandergreifende Lösungsansätze für die Epitaxieschichten, das strukturelle und das geometrische Design und für die Prozessierungstechnologie. Neuartige Bauelementstrukturen mit einer rückseitigen Kanalbarriere (back-barrier) aus AlGaN oder Kohlenstoff-dotierem GaN in Kombination mit neuartigen geometrischen Strukturen wie den Mehrfachgitterfeldplatten (MGFP, Multiple-Grating-Field-Plate) wurden untersucht. Die elektrische Gleichspannungscharakterisierung zeigte dabei eine signifikante Verringerung der Leckströme im gesperrten Zustand. Dies resultierte bei nach wie vor sehr kleinem Einschaltwiderstand in einer Durchbruchspannungserhöhung um das etwa Zehnfache auf über 1000 V. Vorzeitige Spannungsüberschläge aufgrund von Feldstärkenspitzen an Verbindungsmetallisierungen werden durch ein geschickt gestaltetes Bauelementlayout verhindert. Eine Optimierung der Halbleiterisolierung zwischen den aktiven Strukturen führte auch im kV-Bereich zu vernachlässigbaren Leckströme. Während das Hauptaugenmerk der Arbeit auf der Erhöhung der Spannungsfestigkeit im Vorwärtsbetrieb des Transistors lag, ist für einige Anwendung auch ein rückwärtiges Sperren erwünscht. Für Schaltverstärker im S-Klassenbetrieb wurde ein neuartiger GaN-HEMT entwickelt, dessen rückwärtiges Sperrverhalten durch einen tiefgelegten Schottkykontakt als Drainelektrode hervorgerufen wird. Eine derartige Struktur ergab eine rückwärtige Spannungsfestigkeit von über 110 V.
Author: Samira Bouzid-Driad
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Languages : fr
Pages : 0
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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.
Author: Abel Fontserè Recuenco
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Languages : en
Pages : 240
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Nowadays, the microelectronics technology is based on the mature and very well established silicon (Si) technology. However, Si exhibits some important limitations regarding its voltage blocking capability, operation temperature and switching frequency. In this sense, Gallium Nitride (GaN)-based high electron mobility transistors (HEMTs) devices have the potential to make this change possible. The unique combination of the high-breakdown field, the high-channel electron mobility of the two dimensional electron gas (2DEG), and high-temperature of operation has attracted enormous interest from social, academia and industry and in this context this PhD dissertation has been made. This thesis has focused on improving the device performance through the advanced design, fabrication and characterization of AlGaN/GaN HEMTs, primarily grown on Si templates. The first milestone of this PhD dissertation has been the establishment of a know-how on GaN HEMT technology from several points of view: the device design, the device modeling, the process fabrication and the advanced characterization primarily using devices fabricated at Centre de Recherche sur l'Hétéro-Epitaxie (CRHEA-CNRS) (France) in the framework of a collaborative project. In this project, the main workhorse of this dissertation was the explorative analysis performed on the AlGaN/GaN HEMTs by innovative electrical and physical characterization methods. A relevant objective of this thesis was also to merge the nanotechnology approach with the conventional characterization techniques at the device scale to understand the device performance. A number of physical characterization techniques have been imaginatively used during this PhD determine the main physical parameters of our devices such as the morphology, the composition, the threading dislocations density, the nanoscale conductive pattern and others. The conductive atomic force microscopy (CAFM) tool have been widely described and used to understand the conduction mechanisms through the AlGaN/GaN Ohmic contact by performing simultaneously topography and electrical conductivity measurements. As it occurs with the most of the electronic switches, the gate stack is maybe the critical part of the device in terms of performance and longtime reliability. For this reason, how the AlGaN/GaN HEMT gate contact affects the overall HEMT behaviour by means of advanced characterization and modeling has been intensively investigated. It is worth mentioning that the high-temperature characterization is also a cornerstone of this PhD. It has been reported the elevated temperature impact on the forward and the reverse leakage currents for analogous Schottky gate HEMTs grown on different substrates: Si, sapphire and free-standing GaN (FS-GaN). The HEMT' forward-current temperature coefficients (T̂a) as well as the thermal activation energies have been determined in the range of 25-300 oC. Besides, the impact of the elevated temperature on the Ohmic and gate contacts has also been investigated. The main results of the gold-free AlGaN/GaN HEMTs high-voltage devices fabricated with a 4 inch Si CMOS compatible technology at the clean room of the CNM in the framework of the industrial contract with ON semiconductor were presented. We have shown that the fabricated devices are in the state-of-the-art (gold-free Ohmic and Schottky contacts) taking into account their power device figure-of-merit ((VB̂2)/Ron) of 4.05×10̂8 W/cm̂2. Basically, two different families of AlGaN/GaN-on-Si MIS-HEMTs devices were fabricated on commercial 4 inch wafers: (i) using a thin ALD HfO2 (deposited on the CNM clean room) and (ii) thin in-situ grown Si3N4, as a gate insulator (grown by the vendor). The scientific impact of this PhD in terms of science indicators is of 17 journal papers (8 as first author) and 10 contributions at international conferences.
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: Auxence Minko
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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: Hadhemi Lakhdhar
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This Ph.D. work focuses on the reliability assessment of ultra-short gate AlGaN/GaN high electron mobility transistor (HEMT) on silicon substrate dedicated to power applications at frequency above 40GHz. It was carried out within IMS Bordeaux and IEMN Lille laboratories.This work initially compares AlGaN/GaN HEMTs grown by MOCVD with those grown using MBE, through electrical characterization.In particular, the device geometry impact on the device performances has been studies by static electrical characterization.Step-stress experiments are performed to investigate reliability assessment of ultra-short gate AlGaN/GaN high electron mobility transistor (HEMT) on Si substrate. A methodology based on a sequence of step stress tests has been defined for in-situ diagnosis of a permanent degradation and of a degradation which is identified by a drain current transient occurring during each step of the ageing sequence . The same stress conditions were applied on HEMTs with different geometries. It is found no evolution of the drain current during non stressful steps. The value of the critical degradation voltage beyond which the stress drain current starts to decrease significantly is also found dependent on the stress bias conditions, the gate-drain distance and the gate length. Moreover, the safe operating area of this technology has been determined.
Author: Jonathan Lehmann
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Cette thèse s'inscrit dans le cadre du développement de transistors de puissance HEMT à base de nitrure de gallium au CEA. Les HEMT AlGaN/GaN sont des composants très prometteurs pour les applications d'électronique de puissance. Le but de cette thèse est d'étudier en détail le matériau AlGaN/GaN en amont de la fabrication de transistors. Cette thèse est organisée en quatre chapitres. Le premier chapitre introduit les concepts théoriques nécessaires à la compréhension du fonctionnement des HEMT AlGaN/GaN. Les trois chapitres restant sont consacrés à l'étude des propriétés électriques de l'empilement AlGaN/GaN: résistance de couche, résistance des contacts, mobilité et densité de porteurs. Dans le chapitre deux, à travers des mesures de la résistance de couche, il est démontré que des phénomènes de piégeage interviennent dans le matériau et que l'utilisation d'une source lumineuse permet une stabilisation de la mesure. Ensuite, à travers des structures avec des longueurs de contacts différentes, une étude détaillée des résistances de contact a été effectuée. Pour cela, le modèle TLM a été utilisé. Les résultats obtenus montre que dû à la variation non linéaire des caractéristiques de nos contacts en fonction de leur longueur, un tel modèle n'est pas adapté à l'étude des contacts fabriqués au CEA. Dans le chapitre trois, une méthode de mesure de la résistance de couche d'un empilement AlGaN/GaN sans fabrication de contacts a été mise au point. Cette méthode repose sur les travaux de Van Der Pauw concernant la mesure colinéaire et permet la caractérisation précise et rapide de plaques entières en sortie d'épitaxie. Enfin dans le dernier chapitre, une étude comparative des propriétés électriques de l'empilement AlGaN/GaN sous la grille et en dehors de la grille a été effectuée. Premièrement, on a procédé à une étude statistique de la résistance de couche, de la mobilité et de la densité de porteurs. Il est démontré que la gravure du Si3N4 préalable au dépôt de la grille injecte des ions fluor dans l'empilement, causant des dégradations des propriétés électriques. Ensuite, les phénomènes de diffusion de la mobilité ont été caractérisés à travers une étude détaillée de la mobilité en fonction de la densité de porteurs. Enfin, pour compléter cette étude, une analyse en température des mesures de capacité et de la mobilité a été effectuée.
Author: Mohamed Reda Irekti
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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: Maroun Alam
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Le silicium est le matériau le plus utilisé pour la fabrication des composants de puissance, car il présente de bonnes propriétés électriques et un faible coût de fabrication. Néanmoins, pour des puissances élevées nécessaires dans les applications en électronique de puissance, le silicium présente sa limite. Pour cela, les développements s'orientent vers les matériaux à large bande interdite, comme le SiC, le GaN et le diamant. Ces matériaux sont utilisés dans ce domaine car ils présentent de meilleures propriétés électriques et physiques. Les HEMT (High Electron Mobility Transistor) sont construits à base d'une hétérojonction AlGaN/GaN, c'est-à-dire que la jonction de ces deux matériaux crée des contraintes mécaniques et conduit à une apparition d'électrons en formant un gaz 2D entre les deux matériaux, entraînant une grande densité d'électrons avec des vitesses élevées. Cependant, ces composants ne sont pas encore totalement fiables. Ainsi, cette thèse entre dans le cadre du projet européen IPCEI/Nano 2022 avec STMicroelectronics qui a pour objectif l'amélioration des performances des composants de puissance. Les travaux ont été divisés selon deux axes de travail. Le premier correspond aux simulations TCAD et dans ce cadre trois structures d'hétérojonction AlGaN/GaN (HEMT Normally On, Normally-OFF et diode) ont été définies. Afin de mieux comprendre l'influence du piégeage sur le comportement électrique et physique des différents dispositifs, des pièges ont été ajoutés dans la structure en variant la concentration de ceux-ci et l'énergie d'activation. Le deuxième axe concerne les caractérisations électriques. Des caractérisations ont été réalisées sur des diodes Schottky avec une hétérojonction AlGaN/GaN, et différents types de stress ont été appliqués avec pour objectif d'étudier l'évolution de la résistance dynamique. Premièrement, les stress quasi-statique ont été réalisés, correspondant à un passage de l'état bloqué à l'état passant pour une tension en inverse élevée. Deuxièmement, des commutations dures ont été appliquées avec un nouveau banc qui est le « Double Source Test ». Cela a été utilisé comme un stress dynamique. Finalement, un test de robustesse a été réalisé qui vise à appliquer des surcharges en courant afin d'observer l'évolution des paramètres physiques des diodes après stress.
