DS0303 -

Passivation secondaire à base de Nitrure de Bore pour drainer les calories dans un transistor – BoroGaN

BoroGaN

Dissipateur thermique en Nitrure de Bore pour Transistors RF à base de Nitrure de Gallium

Le but du projet est le fonctionnement à forte puissance à 30 GHz d’un transistor InAlGaN/GaN HEMT (High Electron Mobility Transistor) pourvu d’un dissipateur thermique en nitrure de bore.

Rappelons que ce projet est co-financé par l’ANR pour les partenaires français (III-V Lab, CNRS) et par la National Research Foundation (NRF) de Singapour en ce qui concerne Nanyang Technological University (NTU).<br />Les performances en puissance des transistors HEMT (High Electron Mobility Transistor) à base de GaN sont actuellement fortement limitées par la thermique. Le champ électrique et la génération de chaleur sont concentrés sur un point chaud situé au pied de la grille dans le canal du transistor. Une couche de matériau à haute conductivité thermique déposée en face supérieure du composant, au plus près de la zone active, permettrait d’évacuer les calories efficacement. De par son procédé de dépôt proche de la température ambiante, le nitrure de bore (BN) élaboré à Nanyang Technological University (NTU) est compatible des étapes technologiques de réalisation des transistors GaN et peut donc s’intégrer dans la séquence de fabrication chez III-V Lab. Les caractérisations thermiques du composant en fonctionnement seront effectuées par le CNRS-neurophotonique.

La première partie du projet était dédié à l’optimisation et l’évaluation des couches de BN. La deuxième partie concerne l’intégration du BN sur des HEMTs.
Le matériau BN a été déposé à NTU puis envoyé à III-V Lab. Une première série d’échantillons sur la structure épitaxiale A1 a été livrée à NTU. Les échantillons ont reçu un dépôt de BN à 40°C. Un autre jeu de substrats saphir A2 a été livré à NTU pour des essais de lift-off et de gravure de BN. Un jeu de capacités et de lignes coplanaires de test A3 a aussi été fourni à NTU pour dépôt. Une structure épitaxiale A4 a été envoyée pour dépôt de BN affin d’affiner les premières mesures thermiques. Puis, la première plaque HEMT A5 a été envoyée à NTU pour dépôt d’un dissipateur thermique en BN.
A1 et A4 ont été mesurées au CNRS-neurophotonique par microscopie photothermique, avec des premiers résultats très encourageants en termes de propriétés thermiques du BN, déposé à 40°C. La technique de gravure de BN a été développée à III-V Lab. Les capacités et les lignes coplanaires de test ont été mesurées à III-V Lab pour évaluer la compatibilité du BN avec des composants RF. Récemment les premiers HEMT A5 avec dissipateur thermique ont reçu une couche de BN déposée à NTU avec une bonne morphologie.
Le site web du projet (www.borogan.net) est ouvert. Des téléconférences et des entrevues physiques se tiennent régulièrement. Mentionnons deux visites physiques de NTU à III-V Lab, une visite de III-V Lab à NTU et plusieurs échanges entre le CNRS et III-V Lab. La récente visite de III-V Lab au CNRS a été l’occasion de préparer la série de mesures par thermoréflectance sur des composants en fonctionnement, attendue dans la dernière année du projet.

NTU a optimisé les conditions de croissance du matériau BN, et a réalisé la croissance de BN sur substrats GaN épitaxié sur substrat SiC (livrable D1.1 complété) et, récemment, sur transistors HEMT (livrable D1.5 complété). III-V Lab a réalisé la croissance de matériau épitaxial HEMT à base de GaN sur substrats saphir et sur substrats SiC (livrable D2.1 complété). III-V Lab a développé une technologie de gravure plasma du BN (livrable D1.0 complété) indispensable à la réalisation des transistors, avec un procédé de gravure plasma ICP (Inductively Coupled Plasma) à base de BCl3. III-V Lab et NTU ont aussi obtenu des résultats par lift-off permis par la température de dépôt proche de l’ambiante. Les structures de test de champ de claquage, réalisées avec le procédé ICP BCl3, mènent à un champ de claquage dépassant 2 MV/cm, limité par la géométrie des capacités. Un nouveau jeu de condensateurs avec pont-à-air est en cours de fabrication pour augmenter la robustesse des structures de test. Les pertes hyperfréquences du matériau BN sur lignes coplanaires sont inférieures à 0,3 dB/mm sur la plage zéro-70 GHz (livrable D1.4 complété). III-V Lab a réalisé un composant HEMT de référence avec une passivation standard SiN/Al2O3 dont les caractérisations sont en cours. Le site internet du projet est ouvert (livrable D3.1 complété), et un séminaire présentant la technologie HEMT de III-V Lab a été donné à Singapour (livrable D3.2 complété). Le premier rapport annuel est disponible (livrable D0.1 complété). Les premières mesures des propriétés thermiques du matériau BN ont été effectuées au CNRS-neurophotonique (livrable D1.3 complété), avec des résultats très encourageants qui attendent confirmation avant d’être annoncés.

Un résultat clé du projet à ce jour est une valeur exceptionnellement élevée de conductivité thermique sur le matériau BN obtenue au CNRS durant la première année du projet. Toutefois, en raison de défauts sur la surface de l’échantillon A1, nous avons préféré relancer une série de mesures sur la structure A4, dont les données sont en cours de dépouillement au CNRS au moment d’écrire ce résumé. Un autre fait marquant est le dépôt d’un dissipateur thermique en BN épais de 700 nm sur un composant HEMT GaN de la structure épitaxiale A5, avec un aspect conforme. Le CNRS et III-V Lab se sont récemment rencontrés pour discuter des prochaines campagnes de mesures par thermoréflectance sur des composants HEMT en fonctionnement, et des motifs de test spécifiques ont été prévus en avance à cet effet dans le jeu de masques. Finalement, à la demande de III-V Lab, l’épaisseur ultime de dépôt de BN à NTU est en cours d’investigation, avec une couche de 5 µm visée, ce qui permettrait, dans le futur, de remplacer les ponts-à-air du composant par des ponts en BN.

Les résultats du projet, bien que prometteurs, se doivent d’être confirmés. Le point-clé sera la réalisation et les mesures du HEMT avec dissipateur thermique en BN, attendues au premier semestre 2019.

Les performances des composants électroniques sont notoirement impactées par les effets thermiques, et par les problématiques de fiabilité qui en découlent. La solution la plus classique est de laisser la chaleur se dissiper à travers la structure du composant vers les couches sous-jacentes de packaging. L'efficacité des solutions de refroidissement est d'autant plus grande que l'on s'approche de la source de chaleur. Le projet BoroGaN propose d'étudier l'impact d'une couche mince de Nitrure de Bore (BN) qui sera déposée sur un transistor à base de Nitrure de Gallium (GaN), à proximité immédiate de la zone active. Ce film a la propriété unique d'avoir ses plans de base orientés perpendiculairement au substrat. Ce matériau nano-structuré a donc une conductivité thermique améliorée dans l'axe z en comparaison des matériaux équivalents. Les transitors HEMTs (High Electron Mobility Transistors) sont le siège de densités de courant importantes et de champ électriques élevés (plusieurs MV/cm). Une réduction de la température de fonctionnement de 35°C permettrait d'accroître la durée de vie du composant de plus d'un ordre de grandeur. Une nouvelle brique technologique basée sur le matériau BN de haute conductivité sera développée, qui sera compatible avec les procédés de la microélectronique. Le dépôt du BN sera fait à température ambiante. Le BN présente des propriétés physiques qui le rendent intéressant en tant que dissipateur thermique, telles qu'une conductivité thermique élevée (>450 W.m-1.K-1), un champ de claquage élevé (>5 MV/cm), une haute résistivité électrique (1E12 Ohm.cm), ce dernier paramètre étant important pour permettre de faibles pertes micro-ondes jusqu'à 60 GHz.
Le programme de travail est réparti de la façon suivante. Le premier lot est consacré à la croissance, à l'optimisation et à la caractérisation des couches minces de BN sur différents substrats. 3-5 Lab fabriquera des composants de tests spécifiques tels que des structures MIM pour la caractérisation électrique du BN. Le deuxième lot est consacré à l'application des couches minces de BN en tant que dissipateur thermique sur des HEMTs en GaN. 3-5 Lab réalisera des hétérostructures à base de GaN et des transistors RF qui pour permettre la croissance de dissipateurs en BN. Ces transistors seront caractérisés par par des mesures en statique, en dynamique et en load-pull. Finalement, les composants seront caractérisés thermiquement en fonctionnement avec la technique de thermoréflectance. Cette méthode optique sans contact présente une excellente résolution spatiale de l'ordre de 200 à 500 nm. Les valeurs de résistance thermique de composants avec et sans dissipateurs seront mesurées et comparées.
En termes d’impact économique, les communications et l'électronique de puissance sont les principaux marchés dans lesquels on s’attend à ce que le GaN rencontre le plus grand succès commercial. Grâce à sa capacité à fonctionner à des fréquences et des puissances élevées, le nitrure de gallium est considéré comme étant la meilleure technologie pour une large gamme d'applications RF. Les domaines d’expertise complémentaires des partenaires de BoroGaN (CINTRA/NTU, 3-5 Lab et CNRS-neurophotonique) permettront la réalisation de dissipateurs thermiques en nitrure de bore d’un genre nouveau, qui permettront d’améliorer les performances des HEMTs, et qui pourront présenter le même potentiel pour d’autres composants et d'autres semi-conducteurs tels que SiC et GaAs.
Le projet répond aux thématiques Matériaux, Naotechnologies et Nanosystèmes de l'appel conjoint ANR/NRF 2016. Le projet répond au défi 3 de l'ANR "Stimuler le Renouveau Industriel" / Axe 3 "Matériaux et Procédés", et à l'orientation de la SNR n°14 "Conception de Nouveaux Matériaux". Le projet se concentrera sur la réalisation de films nano-cristallins de BN appliqués à la fabrication des HEMT à base de GaN à l'échelle micrométrque et nano-métrique.

Coordination du projet

Nicolas Michel (III-V LAB)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

III-V LAB
CINTRA/NTU Nanyang Technological University
CNRS UMR8250 - Laboratoire de Neurophotonique

Aide de l'ANR 249 927 euros
Début et durée du projet scientifique : octobre 2016 - 36 Mois

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