Optimisations combinées par l’épitaxie pour composants hyperfréquences de puissance GaN sur Silicium – GoSiMP

Les composants électroniques hyperfréquences peuvent contribuer à répondre à la demande croissante en termes de sécurité, capteurs et communications. Dans ce contexte, le projet GoSiMP vise à démontrer des composants à base de GaN sur substrat Silicium combinant à la fois grande densité de puissance, haut rendement et faibles pertes de propagation à hautes fréquences, ce qui ouvrira la voie à la réalisation future de circuits intégrés microondes monolithiques à faible coût. Le choix du substrat est motivé par le faible coût et la grande disponibilité du Silicium qui peuvent mener à une réduction notable des coûts de fabrication. Cependant, obtenir un matériau GaN fabriqué à l’échelle industrielle sur Silicium et satisfaisant tous les critères de qualité structurale et électrique indispensables à la fabrication industrielle de composants reste difficile. Ainsi, la MOCVD constitue la technique de choix pour la production industrielle avec des réacteurs pouvant traiter plusieurs substrats de taille 8 pouces à la fois. Cependant, les températures élevées (supérieures à 1000°C) nécessaires à l’épitaxie de GaN de qualité cristalline acceptable constituent un désavantage pour le contrôle des propriétés électriques et imposent des compromis aux conséquences parfois très limitantes selon les applications visées. Le premier objectif du projet sera de développer la connaissance et le savoir-faire non disponibles dans la littérature pour la fabrication par MOCVD d’hétérostructures pour transistors à haute mobilité électronique (HEMTs) à base de GaN sur Silicium ouvrant des applications de puissance à 40 GHz et au-delà. Le projet visera en premier lieu à étudier l’interface entre les couches de nucléation épitaxiées et le substrat, puis les couches tampon, en vue de réduire les pertes de propagation. Des boucles d’optimisation réalisées par le CRHEA (coordinateur et en charge de l’épitaxie) et ses partenaires (IEMN, GREMAN) permettront de réaliser les compromis nécessaires entre critères de qualité structurale et électrique. Pour cela l’influence des conditions d’épitaxie sera étudiée de même que deux alternatives à l’épitaxie directe : l’épitaxie sur tremplin SiC cubique déposé sur Silicium et la nucléation à basse température par la technique MBE, technique qui sert de référence pour ce travail. Pour augmenter la fréquence de travail des transistors, la longueur de grille doit être diminuée de même que la distance séparant cette dernière du canal constitué par un gaz bidimensionnel d’électrons afin de limiter les effets de canal court. En retour ceci augmente les résistances d’accès. Pour compenser ces effets, des optimisations seront réalisées au niveau de l’épitaxie des zones actives avec des couches tampons capables d’améliorer le confinement et des barrières AlGaN et InAlGaN riches en aluminium à même de réduire la résistance du canal. Pour réduire les résistances d’accès dans les transistors, une voie complémentaire basée sur la reprise d’épitaxie localisée de GaN fortement dopée sera étudiée. Pour la réalisation des contacts ohmiques, cette solution basée sur la technique MBE permettra un contact électrique direct avec le canal sans nécessiter de recuit de diffusion. Ainsi, en l’absence de fluage des contacts métalliques, une meilleure définition de leurs bords permettra de rapprocher la grille au plus près de la source du transistor et ainsi minimiser la résistance d’accès. Afin de valider ces approches et leurs combinaisons, l’IEMN procèdera aux mesures de pertes de propagation, à la fabrication des composants et à leurs caractérisations électriques du mode statique jusqu’aux mesures de puissance de sortie à 40 GHz et au-delà.