Réalisation et caractérisation des transistors HEMTs GaN

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Spécialité : Micro et Nanotechnologies, Acoustique et Télécommunications
Pour obtenir le titre de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITE
Par
SAMIRA BOUZID - DRIAD
REALISATION ET CARACTERISATION DE
TRANSISTORS HEMTS GAN POUR DES
APPLICATIONS DANS LE DOMAINE MILLIMETRIQUE
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Membres du jury
M. Tuami LASRI Professeur, Université de Lille1 Président du jury
Mme Nathalie MALBERT Professeur, Université de Bordeaux1 Rapporteur
M. Jean-Guy TARTARIN Professeur, Université de Toulouse3 Rapporteur
M. Hassan MAHER Professeur, Université de Sherbrooke Examinateur
M. Marc ROCCHI Docteur, OMMIC, Limeil Brévannes Examinateur
M. Jean-Claude DE JAEGER Professeur, Université de Lille1 Directeur de thèse
Mme Virginie HOEL Docteur HDR, Université de Lille1 Co-Directrice de thèse
M. Nicolas DEFRANCE Docteur, Université de Lille1 Invité
Thèse de Samira Bouzid-Driad, Lille 1, 2013
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Réalisation et caractérisation des transistors HEMTs GaN pour des applications dans le domaine millimétrique
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Table des matières
Remerciements
INTRODUCTION GENERALE.. 09
CHAPITRE I : GENERALITES SUR LE NITRURE DE GALLIUM ET LES TRANSISTORS HEMTS
ALGAN/GAN
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I. INTRODUCTION
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II. HISTORIQUE DE LA TECHNOLOGIE NITRURE DE GALLIUM (GAN).....
12
III. LES APPLICATIONS EN PUISSANCE HYPERFREQUENCE.
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III.1. Applications et propriétés du nitrure de gallium
13
III.2. Figures de mérite
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III.2.1. La figure de mérite de Jonson (JM) 
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III.2.2. La figure de mérite de Keys (FMK) 
15
III.2.3. Facteur de mérite de Baliga (BMF) 
16
IV. PROPRIETES DES MATERIAUX NITRURES ET DES COMPOSANTS A BASE DE NITRURE DE
GALLIUM(GAN) 
16
IV.1 Propriétés cristallographiques 
16
IV.2 La bande intérdite
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20
IV.4 La conductivité thermique
21
IV.5 Mobilité des porteurs dans le semiconducteur
21
V. TECHNIQUES DE CROISSANCE DU NITRURE DE GALLIUM ET SUBSTRATS UTILISES.
22
V.1 Les substrats de croissance
22
V.2 Les techniques de croissance du GaN
24
V.2.1 La technique MOCVD
24
V.2.2 La technique MBE
25
VI. LA STRUCTURE HEMT ALGAN/GAN.
27
27
VI.2. Les polarisations spontanée et piézoélectrique
28
VI.2.1. La polarisation spontanée
28
VI.2.2. La polarisation piézoélectrique
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VI.3. Mécanisme de formation du gaz bidimensionnel
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VI.4. Ingénierie des couches minces de la structure HEMT
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VI.4.1. Le substrat de Silicium
32
VI.4.2. Les couches de nucléation
32
VI.4.3. Le buffer de GaN
32
32
32
VI.4.6. Le cap de GaN.
32
VII. L’ETAT DE L’ART ACTUEL DES TRANSISTORS HEMTS GAN...
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VIII. CONCLUSION.
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BIBLIOGRAPHIE
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CHAPITRE II : CARACTERISTIQUES ELECTRIQUES ET OPTIMISATION DU CONTACT
SCHTTKY
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I. INTRODUCTION
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II. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DES TRANSISTORS HEMT ALGAN/GAN
45
II.1. Principe physique des électrodes du composant : structures métal-semiconducteur
47
-Modèle de Schottky-Mott
48
-Modèle de Bardeen.
50
II.2. Types de métallisations conventionnelles
51
II.2.1. Métallisation des contacts ohmiques.
51
II.2.2. Métallisation des contacts Schottky
52
III. CARACTERISTIQUES ELECTRIQUES DU TRANSISTOR HEMT..
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III.1. Le courant de drain-source
54
III.2. La transconductance Gm
56
III.3. La conductance de sortie
57
III.4. La capacité grille-source
57
III.5. La capacité grille-drain (Cgd).
57
III.6. La capacité drain-source
58
III.7. Résistance.
58
.
58
IV. TECHNOLOGIE DU TRANSISTOR HEMT ALGAN/GAN.
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IV.1 Le procédé de nettoyage du matériau 
60
IV.2. Principales tapes technologiques
61
IV.2.1. Les marques 
61
IV.2.2. Les contacts ohmiques
63
IV.2.3. Le recuit rapide (RTA) post métallisation des contacts ohmiques
65
65
IV.2.4.1. Isolation par gravure
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IV.2.4.2. Isolation par implantation He+
70
IV.2.5.Technologie de grille
73
IV.2.5.1. Grille en T
73
IV.2.5.2. Grille nitrure
77
IV.2.6.Passivation des transistors
80
IV.2.6.1 Passivation par un diélectrique déposé par PECVD
81
IV.2.6.2. Passivation par dépôt de SiN In-Situ
83
84
IV.2.8. Espacements grille-source et grille-drain des transistors HEMTs à grilles en T décentrées...
84
V. TECHNOLOGIE DE TRANSISTORS A GRILLES AUTO-ALIGNEES
85
V.1. Méthodologie suivie
85
-alignées
87
V.3. Fabrication du contact Schottky double chapeaux
87
V.3.1. Grille double chapeaux en utilisant un quadri-couche de résine
87
V.3.2. Technologie de grille double chapeaux à pied nitrure
89
V.4. Réalisation des contacts ohmiques en technologie auto-alignée
92
VI. CONCLUSION
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BIBLIOGRAPHIE
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CHAPITRE III : CARACTERISATIONS ELECTRIQUES DES HEMTS ALGAN ET OPTIMISATION DU
CONTACT SCHOTTKY........
104
I. INTRODUCTION.
105
II. CARACTERISATIONS ELECTRIQUES.
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II.1. Mesures TLM (Transmission Line Method)..
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II.1.1. TLM linéaires
106
II.1.2. TLM c..
108
II.2. Mesures effet-Hall..
109
II.3. Mesures en régime statique 
109
II.3.1. Caractéristique de sortie IDS (VDS)...
111
II.3.2. La transconductance GM
112
II.3.3. Mesure du courant de grille en direct et en inverse....
113
II.4. Caractérisation ...
115
III. INGENIERIE DU COMPOSANT.
117
III.1 Les limitations physiques et géométriques
117
....
117
III.1.2. La distance grille-drain 
117
III.1.3. La distance grille-source
118
performances 
120
III.3. De la géométrie du composant 
121
III.3.1.Influence des espacements grille-source et grille- ..
121
III.3. 2. Influence des espacements grille-source et grille-dr
122
III.3.3. Conclusion sur la géométrie du composant
124
III.4. Etudes du claquage dans les HEMTs AlGaN/GaN sur Si (111) 
124
        claquage du HEMT en fonction des distances grille-
source et grille-drain
124
III.4.2. Mesure du courant de drain du HEMT avec les tensions de drain en dessous du u
pincement
127
III.4.3. Conclusion sur la tenue en tension 
130
IV. OPTIMISATION DU CONTACT SCHOTTKY SUR GAN
130
IV.1 Technologie des composants fab
130
IV.2. Propriétés des structures HEMTs 
131
IV.3. Les mesures statiques sur les deux plaques 109....
132
IV.4. Le courant de fuite de gril
133
ct 
135
V. ETUDE DE L’EFFET KINK DANS LES HEMTS ALGAN/GAN SUR SI (111) .
135
135
- kink à températures cryogéniques....
135
....
140
....
143
VI. CONCLUSION 
143
VI. BIBLIOGRAPHIE..
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Réalisation et caractérisation des transistors HEMTs GaN pour des applications dans le domaine millimétrique
5
CHAPITRE IV: PERFORMANCES EN FREQUENCE, MESURES EN MODE PULSE ET
CARACTERISATION EN PUISSANCE A 18GHZ.
150
I. INTRODUCTION
151
II. HEMTS ALGAN/GAN POUR LA MONTEE EN FREQUENCE..
151
II.1. Structure et technologie du comp
151
II.2. Performances statiques et hyperfréquences .....
153
II.2.1. Mesures en régime statiq....
153
II.2.2. mesures hyperfréquenc
155
II.3. Extraction des paramètres extrinsèques en ....
155
II.3.1. Principe de la méthod
155
II.3.1.1. Les éléments extrin
156
II.3.1.2. Les éléments intrins
156
II.3.2. Résultats 
157
III. ANALYSE DU TEMPS DE TRANSIT DANS LES HEMTS ALGAN/GAN SUR SI A LONGUEUR DE
GRILLE COURTE
158
III.1 Détermination du temps de transit total du ...
158
163
IV. ETUDE DU PHENOMENE DE PIEGES DANS LES TRANSISTORS HEMTS ALGAN/GAN
164
IV.1. Nature et origine des pièges dans le le HEMT 
164
IV.2. Impact des pièges sur les tra
165
IV.2.1. Gate-....
165
IV.2.2. Drain -....
165
IV.3. Caractérisation en régime impu
166
166
IV.3.2. Quantification de la densité des pièges dan
167
IV.4. La densité de puissance escompt
171
....
172
V. MESURE DE PUISSANCE HYPERFREQUENCE DES HEMTS ALGAN/GAN A 18GHZ
172
V.1. Classe de fonctionnement des trans....
173
V.2. Les indicateurs de performance en puissance des transistors HEMTs ....
175
V.2.1. La puissance de sortie (Pout
175
V.2.2. Le gain en puissance ....
176
V.2.3. Le gain transducteur (GT
176
V.2.4. Le rendement en puissance ajout.....
176
V.3. Mesures au LSNA des transistors AlGaN/GaN et analyse 
..........
176
.....
176
....
177
V.3.1.2 Mesures de puissance hyperfré....
178
 (avec prétraitement de surface N2O) 
182
VI. CONCLUSION 
183
VII.BIBLIOGRAPHIE 
185
CONCLUSION GENERALE.
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Abstract
Liste des publications
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