Développement et réalisation technologique de composants HEMTs en Nitrure de Gallium (GaN) présentant la fonctionnalité " Normally-off "

Development and technological realization of Gallium Nitride (GaN) HEMTs transistors with a "Normally-Off" functionality

• Auteur / Autrice : Chaymaa Haloui
• Direction : Frédéric Morancho, Karine Isoird, Mathieu Gavelle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : MicroNano Systèmes
• Date : Soutenance le 21/07/2021
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Ménini
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Morancho, Karine Isoird, Mathieu Gavelle, Yvon Cordier, Emmanuel Collard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dominique Planson, Nathalie Labat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Épitaxie

Nitrure de gallium

Transistors à effet de champ à dopage modulé

Mots clés libres

HEMT

AlGaN/GaN III-V

Normally-off

Gravure

Procédé technologique

Photolithographie

Epitaxie localisée

P-GaN

HEMT

AlGaN/GaN, III-V

Normally-off

Etching

Technological process

Photolithography

Localised épitaxy

P-GaN

Résumé

L'augmentation de la consommation électrique et l'évolution des besoins en électronique de puissance nécessitent de nouveaux composants intégrés de puissance ayant une forte densité de courant et assurant une meilleure efficacité de conversion d'énergie. La technologie des transistors à haute mobilité électronique en nitrure de gallium (HEMT GaN) est très prometteuse et répond à ces exigences énergétiques. Cependant, ces transistors présentent l'inconvénient d'être normally-on : le canal sous la grille est peuplé d'électrons même à une tension de grille nulle. Pour des raisons de sûreté de fonctionnement, la fonctionnalité normally-off s'avère être un réel besoin. Ce travail se consacre au développement technologique d'un transistor HEMT normally-off avec une grille à barrière P-GaN. La nouvelle structure proposée consiste à introduire une couche GaN dopé p (P-GaN) sous le contact de grille. Les résultats de de simulation sous Sentaurus TCAD ont montré que des tensions de seuil élevées peuvent être obtenues en réduisant l'épaisseur de l'AlGaN sous le P-GaN. Ce travail s'est focalisé sur la mise en place des briques technologiques nécessaires pour la réalisation de cette nouvelle structure, en particulier l'ouverture de grille et la reprise d'épitaxie localisée. Le développement de la gravure de grille en mode RIE à base du Cl2 a permis une maîtrise d'ordre nanométrique des profondeurs de l'AlGaN gravé. La rugosité obtenue après gravure, bien que plus élevée que celle initiale des couches, reste acceptable pour un mode de gravure RIE. La reprise d'épitaxie localisée du P-GaN a été testée avec les deux techniques de croissance que sont la MOCVD et la MBE. Cette dernière a permis l'obtention de meilleurs résultats en termes d'uniformité de couche. Une étude sur les contacts ohmiques et Schottky a aussi été menée dans le but de déterminer les empilements métalliques adaptés à la structure proposée. Une optimisation des étapes élémentaires du procédé technologique, comme les paramètres d'insolation, la passivation et l'isolation des composants, a été effectuée en vue de réaliser le dispositif proposé.

Thanks to their high breakdown voltage and ultrahigh power density operation, AlGaN/GaN HEMTs stand out as promising candidates for next-generation of high-speed switching devices. While most of the demonstrated AlGaN/GaN HEMTs are inherently normally-on with a negative gate threshold voltage, normally-off mode is strongly demanded to fulfill the requirements of power electronics applications; normally-off devices are inherently secure and suitable for energy converters requiring specifically high system reliability. In this work, a new normally-off AlGaN/GaN HEMT structure is proposed. The regrowth of a p-doped GaN (P-GaN) layer on the AlGaN/GaN heterostructure after the gate recess allows the achievement of the enhancement mode. A shift in the threshold voltage to positive values has been proved through simulation results. This work has focused on the development of the critical technological steps of the fabrication of the new normally-off HEMT structure. Particular attention has been paid to the opening of the gate and of the P-GaN localized regrowth. A precise AlGaN etching was achieved by adjusting Cl2-RIE etching parameters. The roughness surface after etching was three times higher than the non-etched one but remains acceptable for a RIE mode. The P-GaN regrowth was tested using two methods: MOCVD and MBE. The last one provided better results in terms of layer uniformity. A study of ohmic and Schottky contacts was also carried out in order to determine the most adequate metal stacks for the proposed structure. An optimization of the elementary steps of the technological process such as the parameters of insolation, passivation and isolation of the components was carried out in order to realize the proposed device.