Optimisation de la technologie GaN sur Silicium pour les applications de puissance RF

Abstract

L’émergence des télécommunications 5G et au-delà exige des équipements robustes capablesde fournir une densité de puissance de sortie supérieure à des fréquences élevées, particulièrement dansle spectre des ondes millimétriques allant de 24 GHz à 94 GHz et au-delà. Cela nécessite desamplificateurs de puissance basés sur le nitrure de gallium (GaN) plutôt que sur le silicium (Si) etl'arséniure de gallium (GaAs) traditionnellement utilisés dans les générations précédentes. Le succès duGaN dans l'éclairage et son potentiel dans les microLED, l'électronique de puissance et les technologiesmicro-ondes, y compris les réseaux 5G, soulignent son importance. Le SiC est généralement le substratpréféré en raison de sa haute conductivité thermique, cependant, il n'est pas adapté aux applications àgrand volume en raison de son coût et de sa faible disponibilité. Bien que plus difficile d’un point devue de la croissance, l'utilisation d'un substrat Si économique résoudrait l'équilibre entre performances/ fiabilité / coût. Habituellement, des couches tampons épaisses (plusieurs μm) sont utilisées pourminimiser la densité de défauts de croissance / dislocations en raison du grand désaccord de réseau demaille entre le GaN et le substrat Si. Cependant, les couches tampons épaisses dégradent la dissipationthermique et augmentent le coût du wafer épitaxié. Par conséquent, le défi réside dans l'hétéro-intégration de couches minces à base de nitrure avec des substrats Si en raison de la complexité decroissance et du désaccord de réseau des matériaux. Malgré deux décennies de recherche, la productionde masse de composants RF GaN-sur-Si reste évasive. Pour remédier à cela, une nouvelle approcheutilisant l'épitaxie par jets moléculaires (MBE) sur des substrats Si est proposée, ciblant le marché 5G.Cette collaboration doctorale industrielle entre le laboratoire IEMN et EasyGaN vise à développer unetechnologie GaN submicronique sur Si pour des applications haute fréquence jusqu'à la bande W. Leprojet vise à créer une technologie robuste avec des performances supérieures tout en minimisant leseffets thermiques et de piégeage. La thèse rappelle les fondamentaux du HEMT à base de GaN pour lesapplications en gamme d'ondes millimétriques, en mettant l'accent sur les techniques de croissance etl'optimisation des dispositifs. Les méthodologies de fabrication et de caractérisation des composants,incluant les tests à haute fréquence jusqu'à 40 GHz, sont détaillées. Les efforts d'optimisationcomprennent les couches tampons et la couche de barrière, en mettant l'accent sur l'amélioration du gain de puissance et des performances du transistor. Dans ce travail, le développement d'une épaisseur totale de couches tampon inférieure à 650 nm avec des couches graduées riches en Al sur un substrat Si apermis d’obtenir une combinaison unique de faibles effets de piégeage, de courant de fuite faible et unerobustesse extrême sous champ électrique élevé. De plus, l'utilisation d'une barrière AlN ultramincecombinée à ces couches tampons innovantes a permis de démontrer un gain de puissance élevé sur la gamme d’ondes millimétriques. Par conséquent, nous avons pu observer un excellent fonctionnement en polarisation de type classe AB à 40 GHz (jusqu'à VDS = 30 V) pour une longueur de grille de 140 nm, une fiabilité RF prometteuse et une stabilité potentielle des HEMTs AlN/GaN-sur-Si ultraminces sous forte puissance. Enfin, une technique de gestion thermique est introduite dans le but d’améliorer les performances RF. Ce projet marque une étape cruciale vers la réalisation d'une technologie GaN-sur-Si bas coût, essentielle pour faire progresser les futurs composants électroniques dans les applications de télécommunications.