Fabrication de transistors HEMTs AlGaN/GaN de haute fiabilité sur substrat free-standing GaN de haute qualité

Abstract

Gallium nitride is the best candidate for the fabrication of High Electron Mobility Transistors for high power/high frequency applications. Due to the lack of availability of GaN substrates, most of devices are currently fabricated by hetero-epitaxy on Si, SiC or sapphire substrates. None of these substrates allows the direct growth of high quality GaN crystal. Therefore, many defects (TDD 108-1010 cm-2) and significant mechanical stress appear in the material leading many questions about the reliability of the devices. The aim of this subject is to overcome these limitations and qualify new electronic devices for RF applications using GaN substrate with a high crystalline quality. Thick and resistive GaN buffer layer was grown at CHREA in order to limit leakage current and RF losses. MOVPE growth technique will permit thick GaN layer while controlling the resistivity by using carbon self-compensation or iron incorporation. Heterostructures will be grown from these substrates.Technological process was developed at IEMN to fabricate AlGaN/GaN devices on GaN substrate for RF applications. E-beam lithography-based process was used to fabricate transistors with short gate-length ranging down to 70 nm. DC, pulsed characteristics and S-parameters measurements were performed to determine cut-off frequency of the transistors. 18 GHz and 40 GHz microwave power measurements have shown a state-of-the-art result for HEMTs on GaN substrates.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