Design and fabrication of GaN-based field effect power transistors up to W-band

Abstract

Au cours des dernières décennies, des progrès remarquables ont été réalisés sur les transistors à haute mobilité électronique à base de GaN (HEMTs GaN) destinés aux applications d’amplification et de commutation de puissance à haute fréquence. Actuellement, les HEMTs GaN les plus matures sont basés sur des hétérostructures AlGaN/GaN. Plus récemment, les hétérostructures à barrières ultrafines (<10 nm) (In)(Ga)AlN/GaN riches en Al ont également présentées beaucoup d’intérêt pour les applications en gamme d’ondes millimétriques. En effet, contrairement aux structures AlGaN/GaN, les barrières ultrafines riches en Al peuvent fournir une densité d’électrons (2DEG) deux fois plus élevée tout en offrant un rapport d’aspect important (longueur de grille / distance grille-canal) y compris avec des grilles très courtes inferieures à 100 nm. Par conséquent, les HEMTs GaN à barrière ultrafine riche en Al permettent de fonctionner à une fréquence plus élevée de manière robuste. Dans ce contexte, plusieurs groupes de recherche ont démontré une combinaison unique de puissance plus élevée et une bande passante plus large jusqu’à 100 GHz par l’utilisation de transistors GaN par rapport aux autres technologies (GaAs ou silicium). Cependant, la plupart des applications nécessitent des amplificateurs de puissance à très haut rendement associé à une fiabilité éprouvée et une linéarité accrue. L’état de l’art des HEMTs GaN est limité aujourd’hui à environ 50% de rendement PAE (Power Added Efficiency) et peu de travaux reportés sur la fiabilité des composants GaN utilisant des grilles courtes inferieures à 150 nm. Néanmoins, l’une des limitations majeures des composants RF modernes est la dissipation thermique. En effet, la puissance dissipée s’améliore de 80% lorsque le rendement PAE passe de 50% à 80%. L’objectif de ce travail est de fournir une technologie de pointe dans ce domaine avec le développement et l’optimisation de transistors GaN à grille sub-150 nm pour les applications en gamme d’ondes millimétriques. En particulier, nous avons effectué une optimisation des couches tampons (buffer) tout en optimisant une barrière AlN ultrafine inférieure à 5 nm afin d’augmenter le gain de puissance, d’améliorer le confinement des électrons sous fort champ électrique et de simultanément réduire les effets de pièges. De plus, le développement d’un banc de mesures de puissance à 94 GHz a permis de démontrer une densité de puissance à l’état de l’art en bande W avec les composants fabriqués. Ces travaux constituent une base de travail prometteuse pour garantir des performances élevées (notamment le rendement PAE) et fiables des HEMTs GaN pour l’amplification de puissance en gamme d’ondes millimétriques liée aux futures applications de télécommunication 5G, spatiales ou militaires.In the last decades, remarkable progresses have been achieved with GaN high electron mobility transistors (HEMTs) for use in high-frequency power amplification and switching applications. Currently, the most matured GaN HEMTs are based on AlGaN/GaN heterostructures. More recently, Al-rich ultrathin sub-10 nm (In)(Ga)AlN/GaN heterostructures have also received much attention for millimter-wave applications. This is because in contrast to AlGaN/GaN, they can provide more than two times higher 2 Dimensional-Electron-Gas (2DEG) sheet carrier density while offering a high aspect ratio (gate length / gate to channel distance) down to sub-100 nm gate lengths. As a result, Al-rich ultrathin barrier GaN HEMTs are able to operate at much higher speed without the use of gate recess, thus potentially enabling high device reliability. In this frame, a number of research groups have demonstrated a unique combination of higher power and wider bandwidth using advanced GaN transistors all the way to 100 GHz as compared to other technologies (GaAs or Silicon). However, most of the applications require very high efficiency power amplifiers with high linearity and proven reliability under harsh conditions. Current state-of-the-art GaN HEMTs are limited to about 50% power-added-efficiency (PAE) in the Ka band and much lower at higher frequency. Moreover, very few reports are available on the device reliability for sub-150 nm gate lengths. On the other hand, one of the major limitations of modern RF devices is the thermal dissipation. The dissipated power improves by 80% when the PAE increases from 50% to 80%.The aim of this work is to provide leading edge technologies in this field through the development and the improvement of sub-150 nm GaN transistors for high frequency applications. In particular, we have performed an extensive buffer engineering while carefully optimizing an ultrathin sub-5nm AlN barrier layer in order to maximize the power gain, improve the electron confinement under high electric and simultaneously reduce the trapping effects. Furthermore, the development of a power bench at 94 GHz enabled the demonstration of a record W-band output power density with the fabricated devices. This is believed to constitute a decisive asset in securing high performances and reliable GaN devices for next-generation millimeter-wave amplifiers related to future 5G telecommunications, space or military applications