Analyse de la fiabilité de technologies GaN. Développement d'une léthodologie innovante d'analyse physique et électrique à l'échelle du composant – ReAGaN

Les systèmes de télécommunications actuels utilisent différents standards de communications tels que, GSM, UMTS, Wi-Max, caractérisés par des bandes de fréquences différentes [900 MHz, 1,8GHz, 2,2GHz, 2,55GHz, 3,3GHz, 3,5GHz, 5,88GHz….]. Ces standards s’appuient sur des schémas de modulation numériques tels que QPSK, 8PSK, 16 QAM, 64 QAM, etc, caractérisés par des enveloppes de signaux variables et des rapports d’amplitude de valeurs pic sur valeur moyenne (PAR = Peak to Average Ratio) de plus en plus élevés. Ceux-ci peuvent atteindre par exemple 10,5 dB pour le standard W-CDMA.
De ce fait, la fiabilité des amplificateurs de puissance est un aspect crucial des systèmes de télécommunications de par les exigences en termes de spécifications électriques de plus en plus fortes (linéarité, puissance Rf) et la contrainte économique du ‘zéro’ défaut.
UMS, un des leaders mondiaux des circuits et composants électroniques hyperfréquences, entend industrialiser des filières technologiques de composants de puissance à base de nitrure de gallium afin de couvrir les futurs besoins des systèmes de télécommunications.
En effet, les filières technologiques à grand gap sont incontournables pour le développement des futurs systèmes de télécommunications et pour assurer l’indépendance et la compétitivité industrielle de l’Europe dans ce domaine. La maturité des nouvelles filières technologiques GaN est le facteur majeur qui détermine tant les performances électriques que le niveau de fiabilité requis pour ces applications. C’est pourquoi nous proposons de développer dans ce projet une méthodologie de caractérisation électrique et physique dédiée à l’analyse de défaillance des technologies GaN.
Le projet ReaGaN devrait apporter un soutien direct à l’industrialisation des technologies GaN. En effet les travaux proposés sont guidés par le constat des connaissances sur les mécanismes de conduction et de dégradation dans les dispositifs à base de nitrure de gallium. Il en ressort le besoin d’une caractérisation plus approfondie des paramètres physiques et structuraux de l’hétérostructure AlGaN/GaN, tels que la contrainte de la couche AlGaN et le champ de polarisation de la couche GaN, et leurs influences sur le dispositif intégré.
Pour atteindre cet objectif, le développement de nouvelles techniques d’analyse ou l’adaptation de techniques existantes doivent être dédiés aux structures basées sur des semiconducteurs à large bande interdite. Ces techniques incluent tant l’analyse électrique dans les domaines temporels et fréquentiels que l’analyse physique et structurale. Le point fort de ce projet réside dans la complémentarité des techniques mises en œuvre et son caractère innovant dans la corrélation attendue entre les caractérisations physiques au niveau matériau, la localisation de défauts à l’échelle nanométrique et l’analyse opto-électrique effectuée à l’échelle du composant.
Actuellement, deux filières technologiques à base de nitrure de gallium sur substrat SiC sont en développement :
- la technologie MMIC GH25 utilisant un HEMT de 0,25µm de longueur de grille,
- la technologie de puissance GH50 utilisant un HEMT de 0,5µm de longueur de grille
Les dispositifs étudiés au cours de ce projet seront des structures de test de différentes variantes technologiques (module de grille, passivation, épitaxie, ..) et des composants issus de files de test de fiabilité. Ces dispositifs seront extraits de projets internes à UMS.
Par l’analyse comparative de différentes options technologiques, les travaux d’analyse effectués dans ce projet fourniront des informations pertinentes pour la validation de briques technologiques (module de grille, procédé de passivation, …) des différentes générations des technologies GH25 et GH50.
Ce projet implique trois partenaires académiques (IMS UMR CNRS, LAAS UPR CNRS, LEPMI UMR CNRS) et trois partenaires industriels (UMS, TRT, SERMA). La durée du projet est de trois ans.