Fabrication and optimization of high power and high frequency HEMT GaN transistors by layer transfer technology on host substrate
Réalisation et optimisation de transistors HEMT GaN forte puissance et haute fréquence par technologie de transfert de couches sur substrat hôte
Résumé
Wireless telecommunication market largely benefits from new nitride technologies, which reach outstanding performance compared with traditional technologies. Current research is opening up many new strategies and alternative solutions to address simultaneously antagonist considerations such as cost, performances and/or reliability. Most AlGaN / GaN HEMTs are fabricated on a low cost, highly resistive silicon substrate or on a much more expensive and supply sensitive SiC substrate. However, the electrical performance constraints required when these technologies are integrating into radar systems, satellites and in telecommunications systems make them dependent to the operating temperature parameter, mainly linked to the high power dissipation during static/dynamic energy transfer. Indeed, these components are capable of generating high power densities in the microwave range. However, the operating frequency increase leads an increase of the power dissipation, generating the self-heating phenomenon which influences the devices performance (ID,max,ft,fmax...). In this context, several solutions were already proposed in the literature (use of composite substrates, passivation of devices, etc.). Furthermore, the layer transfer technology to report HEMTs from growth substrate onto a host substrate with a good thermal conductivity (such as diamond substrate) is a promising solution, still poorly detailed to date. The objective of this thesis work is to improve the heat dissipation and thus the performance and reliability of high-frequency HEMT transistors by using a layer transfer technology. AlGaN / GaN heterostructures are grown on a silicon substrate by MOCVD at CHREA. After the fabrication of HEMTs on a silicon substrate, AlGaN / GaN devices (for which the silicon substrate has been removed) are transferred onto a CVD diamond substrate. This transfer is obtained by thermocompression bonding of sputtered AlN layers on each surface to be assembled (backside of the transistors and diamond substrate). This transfer process has not damaged the functionality of the transistors with short gate length (Lg = 80 nm). The AlGaN/GaN HEMTs with a 2x35 µm development transferred onto diamond of feature a current ID,max = 710 mA.mm-1, a cutoff frequency ft of 85GHz and an oscillation frequency fmax of 144GHz. However, this transfer technique requires optimization phases (especially to reduce thickness and improve the crystalline quality and thermal conductivity of AlN layers) in order to reduce the thermal resistance of this adhesion layer and to limit the self-heating phenomenon noted at the end of this thesis work.
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.
Domaines
Electronique
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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