Développement de nouvelles hétérostructures HEMTs à base de nitrure de gallium pour des applications de puissance en gamme d'ondes millimétriques PDF Download
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Author: Stéphanie Rennesson
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Book Description
Les matériaux III-N sont présents dans la vie quotidienne pour des applications optoélectroniques (diodes électroluminescentes, lasers). Les propriétés remarquables du GaN (grand gap, grand champ de claquage, champ de polarisation élevé, vitesse de saturation des électrons importante...) en font un candidat de choix pour des applications en électronique de puissance à basse fréquence, mais aussi à haute fréquence, par exemple en gamme d'ondes millimétriques. L'enjeu de ce travail de thèse consiste à augmenter la fréquence de travail des transistors tout en maintenant une puissance élevée. Pour cela, des hétérostructures HEMTs (High Electron Mobility Transistors) sont développées et les épaisseurs de cap et de barrière doivent être réduites, bien que ceci soit au détriment de la puissance délivrée. Une étude sera donc menée sur l'influence des épaisseurs de cap et de barrière ainsi que le type de barrière (AlGaN, AlN et InAlN) de manière à isoler les hétérostructures offrant le meilleur compromis en termes de fréquence et de puissance. De plus, les moyens mis en œuvre pour augmenter la fréquence de travail entrainent une dégradation du confinement des électrons du canal. De manière à limiter cet effet, une back-barrière est insérée sous le canal. Ceci fera l'objet d'une deuxième étude. Enfin, une étude de la passivation de surface des transistors sera menée. La combinaison des ces trois études permettra d'identifier la structure optimale pour délivrer le plus de puissance à haute fréquence (ici à 40 GHz).
Author: Stéphanie Rennesson
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Les matériaux III-N sont présents dans la vie quotidienne pour des applications optoélectroniques (diodes électroluminescentes, lasers). Les propriétés remarquables du GaN (grand gap, grand champ de claquage, champ de polarisation élevé, vitesse de saturation des électrons importante...) en font un candidat de choix pour des applications en électronique de puissance à basse fréquence, mais aussi à haute fréquence, par exemple en gamme d'ondes millimétriques. L'enjeu de ce travail de thèse consiste à augmenter la fréquence de travail des transistors tout en maintenant une puissance élevée. Pour cela, des hétérostructures HEMTs (High Electron Mobility Transistors) sont développées et les épaisseurs de cap et de barrière doivent être réduites, bien que ceci soit au détriment de la puissance délivrée. Une étude sera donc menée sur l'influence des épaisseurs de cap et de barrière ainsi que le type de barrière (AlGaN, AlN et InAlN) de manière à isoler les hétérostructures offrant le meilleur compromis en termes de fréquence et de puissance. De plus, les moyens mis en œuvre pour augmenter la fréquence de travail entrainent une dégradation du confinement des électrons du canal. De manière à limiter cet effet, une back-barrière est insérée sous le canal. Ceci fera l'objet d'une deuxième étude. Enfin, une étude de la passivation de surface des transistors sera menée. La combinaison des ces trois études permettra d'identifier la structure optimale pour délivrer le plus de puissance à haute fréquence (ici à 40 GHz).
Author: Nicolas Sarazin
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Languages : fr
Pages : 146
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Les semiconducteurs à grande largeur de bande interdite et particulièrement les composés III-N tels que le nitrure de gallium (GaN) et ses alliages sont, par leurs propriétés physiques et chimiques, de bons candidats pour la réalisation de composants de puissance à haute fréquence d'utilisation tels que les Transistors à Haute Mobilité Electronique (HEMT). Dans la pratique, cette réalisation se heurte à des limitations technologiques et physiques. Ainsi, la problématique principale demeure la maîtrise des états de surface (pièges) qui dégradent les performances en fréquence des transistors. A l'heure actuelle, la solution privilégiée est l'utilisation d'une passivation de surface qui a pour effet de limiter les chutes de courant. Dans ce travail nous avons étudié les modifications de l'hétérostructure AIGaN/GaN introduite par l'ajout d'un «cap» de GaN, et de même l'utilisation d'une passivation in-situ obtenue par croissance LPMOCVD à plus basse température, l'objectif ayant été de limiter l'influence des pièges sur les chutes de courant de drain en régime dynamique. L'impact de ces modifications a été étudié tant sur la qualité cristalline des matériaux obtenus que sur leurs propriétés électriques. Cette étude nous conduit à conclure que la structure sans «cap» reste la meilleure structure pour obtenir les meilleures performances à condition d'utiliser une bonne passivation. Obtenir de fortes puissances est aussi étroitement lié aux densités de porteurs disponibles et implicitement à la densité de courant des transistors. Les propriétés particulières du matériau ternaire AlInN, en particulier une polarisation spontanée plus importante que celle de AIGaN, nous a conduit à étudier un nouveau système de matériau, basé sur ce ternaire. Les propriétés des composants obtenus se sont avérées particulièrement satisfaisantes. Pour la première fois, une densité de puissance de 6,8 W/mm pour une fréquence de 10 GHz a été atteinte sur ce type de matériau.
Author: François Lecourt
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Languages : fr
Pages : 243
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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%.
Author: Philippe Altuntas
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Les transistors à haute mobilité électronique (HEMTs) à base de nitrure de gallium constituent une filière prometteuse pour l'amplification de puissance hyperfréquence pour les applications en bande millimétrique. Les propriétés remarquables du GaN, tels que le champ de claquage , la vitesse de saturation et la densité des électrons élevés sont à l'origine des performances exceptionnelles obtenues avec les dispositifs à base de GaN. Les travaux de thèse ont été réalisés au sein du groupe Composants et Dispositifs Micro-ondes de Puissance à l'IEMN. Ce travail relate la fabrication et la caractérisation de dispositifs de type HEMT de la filière GaN pour des applications de puissance hyperfréquence. La première partie de ce travail expose les phénomènes physiques mis en jeu dans les hétérostructures à base de GaN. La suite porte sur l'optimisation des procédés technologiques ayant comme point de mire la montée en fréquence ainsi qu'en puissance hyperfréquence. Un travail a été mené en vue de la réduction de la longueur du pied de grille permettant d'atteindre des longueurs minimales de l'ordre de 60nm. De plus, des analyses sont effectuées afin d'étudier les principales limitations inhérentes aux composants HEMTs. Le dernier chapitre présente l'ensemble des caractérisations en régimes statique et hyperfréquence sur des structures HEMTs fabriquées dans le cadre de ce travail. Il en ressort notamment un résultat en terme de densité de puissance à 40GHz, à ce jour à l'état de l'art, relatif à un HEMT de topologie 2x50x0.075μm2. Celui-ci ayant permis d'obtenir une densité de puissance de 2.7W/mm associée à un gain linéaire de 6.5dB et un rendement en puissance ajoutée de 12.5%.
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: Chaymaa Haloui
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Pages : 142
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Book Description
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: Martin Jouk
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Pages : 279
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Book Description
Le Nitrure de Gallium (GaN) possède une grande largeur de bande interdite (3.4eV), une densité de porteurs intrinsèques extrêmement faible, une vitesse de saturation des électrons importante ainsi qu’un fort champ de claquage fonctionnant sous fortes puissances et hautes tensions. Alors que des transistors HEMT’s (High Electron Mobility Transistors) hyperfréquences AlGaN/GaN sont déjà présents sur le marché, aucun transistor haute tension à base de GaN n’a encore été commercialisé. Pour les applications haute puissance/haute tension, les architectures verticales possèdent un meilleur compromis entre tension de claquage, résistance à l’état passant et surface utilisée par rapport aux architectures latérales. Le but de cette thèse est de développer les principales étapes nécessaires à la fabrication d’un transistor HEMT vertical à base de GaN. Dans cette thèse, nous démontrons la croissance pleine plaque de structures GaN (comprenant des Couches de Blocages du Courant) caractérisées par une surface lisse comme requis pour l’obtention d’un gaz 2D hautement conducteur à l’interface AlGaN/GaN. Nous décrivons également la réalisation de gravures profondes satisfaisantes de structures GaN par RIE. Enfin, malgré la non-uniformité du profil du matériau sélectivement déposé, nous avons trouvé des paramètres de croissance sélective compatibles avec le fonctionnement et la fabrication du transistor GaN vertical. Le défi principal restant pour la fabrication de HEMTs GaN verticaux très performants consiste à obtenir des Couches de Blocage du Courant encore plus isolantes (et sur substrat Silicium).
Author: Gwenael Le Coustre
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Languages : fr
Pages : 179
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Book Description
L’utilisation de matériaux grand gap, et tout particulièrement l’emploi du nitrure de gallium est une solution pour la génération de puissance aux fréquences microondes. Les HEMTs réalisés à partir du matériau GaN présentent actuellement les meilleures performances mondiales pour la génération de puissance hyperfréquence. Cependant, les concepteurs ont besoin de connaître leurs limitations électriques : Plus précisément, ils ont besoin de connaître leurs caractéristiques électriques dans leurs zones de fonctionnement et d’en avoir des modèles mathématiques intégrables dans des outils de CAO. Dans une première partie, des caractérisations électriques ont été effectuées afin de déterminer l’impact des limitations physiques sur la génération de puissance : tension de claquage, pièges de drain et de grille, résistance thermique d’interface dans l’épitaxie ... Dans la deuxième partie de cette thèse, la conception et la réalisation de premières maquettes ont été effectuées en bande S (3 GHz). Ces maquettes permettent une première caractérisation des composants de puissance de plusieurs millimètres de développement de grille réalisés au laboratoire. Ces caractérisations, pour des considérations de connexions mais également thermiques ne sont pas réalisables sous pointes. Ces mesures permettent également la détermination des impédances optimales en puissance et en rendement au plus près des composants afin de les connaitre avec précision. Ces impédances seront utilisées lors de la conception des amplificateurs de puissance présentée dans la dernière partie. Dans un premier temps, une analyse de l’impact des adaptations d’entrée et de sortie sur la largeur de bande d’adaptation a été réalisée. Une attention particulière a été consacrée à l’architecture de l’adaptation d’entrée. Dans un second temps, une présentation de la conception et de caractérisation d’amplificateurs de puissance de classes 25W et 100W en bande S est présentée. Des mesures de ces amplificateurs ont montré des puissances de sortie supérieures à 120W avec un rendement en puissance ajoutée et un gain en puissance associé respectivement de 40% et 22dB. Ces résultats en termes de puissance, de rendement et de température confortent la possibilité de réaliser des amplificateurs en bande-S pour des applications radars en technologie GaN.
Author: Dimitri Bertrand
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Languages : fr
Pages : 0
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Book Description
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: Audrey Philippon-Martin
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Languages : fr
Pages : 203
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Book Description
Ces travaux de recherche se rapportent à l’étude de transistors HEMTs en Nitrure de Gallium pour l’amplification de puissance micro-onde. Une étude des caractéristiques des matériaux grand gap et plus particulièrement du GaN est réalisée afin de mettre en exergue l’adéquation de leurs propriétés pour des applications de puissance hyperfréquence telle que l’amplification large bande. Dans ce contexte, des résultats de caractérisations et modélisations électriques de composants passifs et actifs sont présentés. Les composants passifs dédiés aux conceptions de circuits MMIC sont décrits et différentes méthodes d’optimisation que ce soit au niveau électrique ou électromagnétique sont explicitées. Les modèles non linéaires de transistors impliqués dans nos conceptions sont de même détaillés. Le fruit de ces travaux concerne la conception d’amplificateurs distribués de puissance large bande à base de cellules cascode de HEMTs GaN, l’un étant reportés en flip-chip sur un substrat d’AlN, le second en technologie MMIC. La version MMIC permet d’atteindre 6.3W sur la bande 4-18GHz à 2dB de compression. Ces résultats révèlent les fortes potentialités attendues des composants HEMTs GaN.
