Réalisation et caractérisation de transistors HEMTs GaN pour des applications dans le domaine millimétrique

par Samira Bouzid-Driad (Bouzid)

Thèse de doctorat en Micro et nanotechnologies, acoustique et télécommunication

Sous la direction de Jean-Claude de Jaeger et de Virginie Hoel.


  • Résumé

    Les transistors à haute mobilité électronique à base de GaN (HEMTs) constituent une filière prometteuse pour l’amplification de puissance dans la gamme des fréquences micro-ondes et des applications dans le domaine millimétrique. Les propriétés physiques exceptionnelles du GaN, sont à l’origine de performances attrayantes obtenues avec les dispositifs à base de GaN, comparées aux autres technologies III-V, en termes de densité de puissance jusqu’à 94GHz pour des applications en télécommunications ou militaires.Cette thèse traite de la fabrication et de la caractérisation des transistors HEMTs AlGaN/GaN sur substrat de silicium (111) avec une fine épaisseur de barrière d’AlGaN et des longueurs de grilles très courtes. Des transistors à grilles décentrées ont été ainsi fabriqués et optimisés en réduisant l’espacement grille-source. Par conséquent, une amélioration significative de la transconductance et des fréquences de coupure FT et FMAX a été obtenue. De plus, un maximum de transconductance de 435 mS/mm avec une bonne qualité de pincement pour une longueur de grille de 110 nm a été démontré. D’autre part, des transistors HEMTs à grille double chapeaux ont été fabriqués. De bons résultats en termes de fréquence de coupure FMAX=206GHz et FT=100GHz ont été obtenus sur des HEMTs ayant une longueur de grille de 90nm et une distance source-grille de 0.25µm. Le maximum de transconductance associé est de 440mS/mm. Ces résultats attrayants obtenus montrent clairement que la technologie des transistors HEMTs GaN sur substrat silicium est une voie viable et prometteuse pour la réalisation de dispositifs à bas coût dans le domaine millimétrique.

  • Titre traduit

    Fabrication and characterization of HEMTs GaN for microwave and millimeter-wave ranges applications


  • Résumé

    GaN-based High-Electron Mobility Transistors (HEMTs) have emerged as one of the best candidates for solid-state power amplification in the microwave and millimeter-wave ranges. Compared with other III-V semiconductors, the outstanding physical properties of Gallium Nitride, make GaN-based devices suitable in terms of microwave power density up to 94GHz for telecommunication or military applications. This work reports on the fabrication and the characterization of AlGaN/GaN HEMTs on silicon (111) substrate with a thin barrier layer and a short gate length. Devices with non-centered gate were fabricated and optimized by reducing gate-source spacing. Consequently, significant improvement of the transconductance and cut-off frequencies FT and FMAX were achieved. Furthermore, a maximum extrinsic transconductance of 435mS/mm was obtained associated with a good channel pinch-off for 110 nm gate length HEMT devices. Moreover, devices with a record maximum oscillation cutoff frequency were fabricated. These transistors are based on a double-T-shaped gate associated with an optimized technology to enable high efficiency 2DEG control while mitigating the parasitic resistances. Good results of FMAX = 206GHz and FT =100GHz are obtained for 90nm gate-length HEMTs with 0.25µm source-to-gate spacing. The associated maximum transconductance value is as high as 440mS/mm. These high performances obtained on AlGaN/GaN HEMTs on silicon substrate are clearly showing that high-resistive silicon substrate associated with a thin AlGaN barrier layer provide an attractive alternative for the fabrication of low-cost millimeter-wave devices.


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