Étude des contraintes mécaniques pour l'amélioration des performances électriques des transistors HFET sur nitrure de gallium

par Thibault Cosnier

Projet de thèse en Nano electronique et nano technologies

Sous la direction de Marco Pala.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble) , en partenariat avec CEA/LETI (laboratoire) depuis le 15-12-2014 .


  • Résumé

    Les transistors actuels basés sur le matériau GaN sont des transistors à effet de champ basés sur une hétérostructure III(Al, In, Ga)-N/GaN, on parle de transistor HFET (heterostructure field effect transistor). A l'interface des 2 matériaux se forme un puits de potentiel qui confine spatialement le canal du transistor, on parle alors de gaz bi-dimensionnel (2-DEG : 2-dimension electron gas). La densité de porteurs du canal est associée à la polarisation du matériau barrière III(Al, In, Ga)-N. Dans le cas d'un empilement AlGaN/GaN, il existe 2 types de polarisations : une composante spontanée et une composante piezo-électrique associée à la contrainte de la couche AlGaN induite par le GaN. Dans le cadre de cette thèse, nous souhaiterions modifier cette composante piezo-électrique voire l'inverser afin de modifier les caractéristiques électriques du transistor. Cela consistera à modifier la contrainte dans la couche AlGaN soit en modifiant la structure épitaxiée soit en introduisant des couches supérieures fortement contraintes (nitrure de silicium, ?). Le travail de thèse consistera dans : 1. une modélisation TCAD électro-mécanique de la structure III-N/GaN sans et avec une couche fortement contrainte afin de simuler la densité de porteurs du canal 2-DEG, 2. la définition des variantes de procédé de fabrication à partir de la filière 200mm GaN-sur-Si et le suivi de la réalisation des composants et de leurs caractérisations morphologiques, 3. l'analyse et l'interprétation des caractérisations électriques des nouveaux composants, 4. la mise en évidence des mécanismes physiques en jeu et leur quantification afin d'affiner la modélisation TCAD

  • Titre traduit

    Stress engineering of Gallium Nitride based HFET transistors


  • Résumé

    Current transistors based on Gallium Nitride GaN are HFET for heterostructure field effect transistor based on a epitaxial III(Al, In, Ga)-N/GaN stack. A potential well appears at the interface of both materials that spatially confined the transistor channel in a 2-Dimension Electron Gas (2-DEG) The electronic density is a function of the polarization of the barrier layer III(Al, In, Ga)-N. In case of an AlGaN/GaN heterostructure, AlGaN polarization presents two components a spontaneous one and a piezoelectric one. In the framework of this thesis, we would like to modify the piezoelectric contribution of the barrier layer and even reverse it, in order to modify the electrical characteristics of the transistor. Stress modification of the barrier layer will be preform through new epitaxial stack or highly stressed layers deposited on the top of the epilayers. This work will consist in: 1) Electro-mechanical modeling thanks to TCAD simulation of the III-N/GaN stack w/ or w/o stressed layers. 2) Definition of process and integration variations starting from 200mm GaN on Silicon process flow and follow-up of related lots including morphological characterizations. 3) Analysis and interpretation of electrical characterization of new devices 4) Identification and quantification of physical mechanism involved in electrical shift and fine tuning of electro-mechanical modeling.