Conception et réalisation technologique de transistors de la filière HEMTs AlGaN/GaN sur substrat silicium pour l'amplification de puissance hyperfréquence

par Jean-Claude Gerbedoen

Thèse de doctorat en Microondes et microtechnologies

Sous la direction de Jean-Claude de Jaeger et de Ali Soltani.

Soutenue le 17-03-2009

à Lille 1 .


  • Résumé

    Les semiconducteurs basés sur les nitrures III - N à large bande interdite présentent un intérêt croissant pour la recherche et le monde industriel. Parmi eux, les composants de puissance à base de nitrure de gallium constituent un domaine de recherche majeur de l'électronique à l'état solide pour les applications hyperfréquences. Les travaux décrits dans cette thèse correspondent à la conception et à la réalisation de transistors de puissance à haute mobilité pour l'amplification en bandes X et Ku (8-18 GHz). L'évolution continue des hétérostructures demande de constantes rétroactions avec le procédé technologique. Dans ce but, l'approche utilisée a consisté au développement et à l'optimisation des briques technologiques de base, associée à l'analyse physique indispensable à l'optimisation des choix technologiques. Une étude fine des contacts ohmique et Schottky a été entreprise. Une optimisation des conditions de réalisation des fossés de grille, du contact ohmique, des métallisations, du prétraitement de surface et de la nature du diélectrique de passivation a été nécessaire. L'ajout d'une électrode de champ a été étudiée afin d'améliorer davantage la tenue en tension des composants et minimiser l'impact des pièges de surface. Dans ce cadre, nous avons conçu et développé différentes topologies de plaque de champ. Plusieurs diélectriques innovants comme le nitrure de bore ont été testés afin d'établir les potentialités de ces transistors HEMTs à grille isolée. L'ensemble de cette technologie optimisée a été appliquée sur une couche HEMT AlGaN/GaN sur substrat Si (001) et a permis d'établir un état de l'art en puissance à 10GHz pour cette nouvelle filière bas coût.

  • Titre traduit

    Design and fabrication of AlGaN/GaN HEMTs on silicon substrate for microwave power amplifier


  • Résumé

    III-N based semiconductors due to their wide bandgap properties present more and more interest in research and industry. ln this frame, the microwave power devices based on gallium nitride constitute a major research field in electronics regarding solid state for microwave applications. The work described in this thesis is the design and the fabrication of high mobility power transistors for amplification in X and Ku band (8-18 GHz). The constantly improvement of epitaxies is correlated to a constant feedback with the technology. ln this way, the approach used in the development and optimization of base modules is associated to the physical analysis necessary to optimize the technological choices. A detailed study of Schottky and ohmic contacts is undertaken. An optimization of technological process conditions for gate recess, ohmic contact, the metallization, the surface pretreatment and the nature of the dielectric passivation was necessary. Fieldplate structure are also studied to further improve the withstanding voltage of components and minimize the impact of surface traps. ln this context, different fieldplate topologies are designed and developed. Several innovative dielectric material as boron nitride are tested to determine the capabilities of these insulated gate HEMTs transistors. The optimized process is applied to AlGaN/GaN HEMT on Si substrate (100) demonstrating a microwave power state-of-the-art at 10GHz for low-cost applications.


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