Développement et évaluation d’un substrat composite pour les applications hautes fréquences de fortes puissances – CREATIVEPI

Les technologies grand gap, et particulièrement le nitrure de gallium (GaN) introduisent de nouvelles potentialités dans le paysage de l’électronique de puissance et des hyperfréquences pour les composants utilisés dans les systèmes de communication ou de géo localisation, grâce à des qualités intrinsèques supérieures aux technologies silicium et III-V conventionnelles. L’évolution rapide de la technologie GaN durant la dernière décennie est due aux progrès importants réalisés sur les techniques de croissance, l’amélioration des matériaux, et la conception de nouveaux dispositifs. Aujourd’hui, le transfert des laboratoires vers les fonderies est d’ores et déjà engagé (Cree GaN/SiC par MOCVD), mais le marché du GaN ne dévoilera son véritable potentiel que lorsque les coûts de production seront réduits et lorsque la technologie sera parfaitement fiabilisée pour les applications visées. La filière GaN deviendra alors un acteur majeur de l’électronique en offrant de nouvelles solutions, et en révolutionnant les architectures traditionnelles.
La faible disponibilité et le coût élevé des substrats en nitrure de gallium massif ont donc conduit les fabricants de composants en GaN à utiliser d’autres supports de croissance tels que le carbure de silicium (SiC) ou le saphir. Ces deux alternatives ont servi de base pour la production de dispositifs innombrables, mais dans tous les cas, des couches tampons ont dû être insérées dans la structure afin de compenser des désaccords de maille ainsi que des coefficients de dilatation thermique très différents. La production industrielle des dispositifs GaN est ainsi actuellement réalisée sur ces types de substrat mais, ils s’avèrent coûteux et ne sont pas disponibles dans des diamètres supérieurs ou égaux à 6-pouces. Le substrat composite (i.e. constitué d’une couche tampon déposé un substrat bas coût et de grand diamètre) a été identifié comme étant une des solutions pour s’affranchir de ces limitations. Il répond de plus aux exigences de coût (augmentation de la surface utile) et de normalisation de l’industrie des matériaux semi-conducteurs composés (accès aux outils de manutention automatisés), tout en ouvrant la voie à une intégration aux architectures "system on chip".
Le projet CREATIVEPI a pour objectif de développer et valider un substrat composite couches minces Si/AlN de faible coût et de diamètre 2-pouces (6" en phase de dissémination) destiner à combler le fossé existant entre le silicium monocristallin dédié à des applications à basses performances et à moindre coût et les matériaux semiconducteurs composés réservés à des applications à hautes performances et actuellement utilisé comme substrats de départ pour les dispositifs III-N. Ce programme permettra de démontrer que les nouveaux substrats composites AlN-CSOS (Compound semiconductor on silicon) sont compatibles avec la croissance de structures III-N de qualité tout en étant beaucoup moins coûteux que les substrats actuels. Le consortium est constitué de trois laboratoires CNRS reconnus dans le domaine des matériaux pour les circuits RF de puissance, l’IMN pour l’élaboration des substrats composites Si/AlN, le CRHEA pour la réalisation des hétérostructures GaN et l’IEMN pour la qualification des films de GaN obtenus via la fabrication et caractérisation de démonstrateurs.

Dans le cadre du projet, des dispositifs HEMT et LED seront réalisés sur les substrats Si/AlN afin de permettre une comparaison avec l’état-de-l’art et de valider ainsi toutes les étapes technologiques. Une politique de maitrise de la dissémination sera méthodiquement appliquée afin d'éviter toute violation de propriété intellectuelle. La valorisation des résultats se fera préférentiellement par la création d’une spin-off dédiée à la production de substrats AlN-CSOS. Néanmoins, la cession de licence à une société du secteur (par ex. Soitec, IQE, etc.) ou à un groupe industriel (par ex. Saint-Gobain, Sumitomo, etc.) sera aussi prise en considération.