Dispositifs HEMT à base de GaN - Matériaux et épitaxie

Le monde des semiconducteurs est dominé, en termes de marché, par le silicium. Cependant, il existe d’autres semiconducteurs tels que le germanium, mais surtout les semiconducteurs III-V qui permettent d’obtenir de meilleures performances dans des domaines spécifiques d’applications. Les principaux sont le GaAs et l’InP, et plus récemment les semiconducteurs dit « grand gap » tel que le SiC et le GaN avec des gaps respectifs de 3,2 eV et 3,4 eV. Ces semiconducteurs permettent de réaliser des composants qui allient tension de claquage et courant élevés ce qui les destinent aux applications de puissance. Cet article consacré au GaN décrit les aspects matériaux et les techniques d’épitaxie pour réaliser ces composants, dont les principales applications concernent l'électronique hyperfréquence et l’électronique de puissance. Il est possible de fabriquer des composants à haute mobilité électronique (HEMTs) ou des circuits intégrés millimétriques monolithiques de type MMIC fonctionnant jusqu’à 100 GHz pour des applications en télécommunications ou militaires, ainsi que des transistors alliant haute tension et fort courant pour la conception de convertisseurs commutant à haute fréquence.

Le GaN présente beaucoup d'avantages, car il permet d’associer des semiconducteurs ternaires tels que AIGaN et AlInN, et quaternaires AIGaInN, ce qui autorise la conception de dispositifs à hétérojonctions comme le transistor HEMT. Dans cette structure, un gaz bidimensionnel (2D) d’électrons est créé à l'interface de l’hétérojonction à l’origine de densités de porteurs élevées caractérisées par une bonne mobilité. Parmi les semiconducteurs III-V, les matériaux III-N ayant une structure cristalline de type wurtzite, tels que le GaN, l'AIN et l’InN, présentent à la fois une polarisation spontanée et une polarisation piézoélectrique. Ces polarisations sont à l’origine du gaz 2D au niveau de l’hétérojonction entre la zone de barrière en AIGaInN et la zone active en GaN sans nécessiter de dopage de cette zone de barrière. Pour les applications de puissance, la filière GaN présente d'autres avantages tels que la tenue à de hautes températures et la possibilité de fonctionner en environnement hostile. Cependant, une limitation est due à la faible disponibilité de substrats GaN semi-isolant ; aussi, d’autres types de substrat d’accueil tel que le SiC et le Si sont-ils couramment utilisés, le premier permettant d'obtenir les meilleures performances grâce à un faible désaccord de maille avec le GaN, et le second pour sa disponibilité en grande taille et son faible coût. L'épitaxie réalisée par MOCVD ou par MBE comprend :

• une couche de nucléation déposée sur le substrat afin d’assurer un bon accord de maille avec le GaN,

• une couche de GaN constituant la couche tampon (buffer) et la zone active,

• une fine zone en AIN permettant d’améliorer les propriétés de transport dans le canal,

• une zone de barrière en AIGaN ou AlInN voire en AIN,

• puis une couche de surface (cap) en GaN ou SiN.

Une limitation des HEMTs de la filière GaN est la densité de défauts due au désaccord de maille qui entraîne la naissance de pièges pouvant limiter les performances.

La fabrication de substrats et d'épitaxies de la filière nitrure de gallium est assurée par de nombreux industriels américains, asiatiques et européens (CREE, MACOM/NITRONEX, EPIGAN, IQE, SiCRYSTAL, FUJITSU, AMMONO, SAINT GOBAIN LUMILOG…), ce qui permet de fournir des épitaxies sur substrats Si, SiC et GaN. Si le marché militaire utilise uniquement des épitaxies sur substrat SiC qui offrent les meilleures performances en RF, on s'intéresse aussi aux épitaxies sur substrat Si dans le domaine des télécommunications pour des applications, notamment de liaisons point à point ou multipoints de par leur coût plus faible. En ce qui concerne l’électronique de puissance, le faible coût est un des critères les plus importants ; aussi les épitaxies sur substrat Si présentent-elles un grand intérêt dans un marché où la demande potentielle est importante pour les applications dans les systèmes embarqués grâce à la miniaturisation des convertisseurs.

Un glossaire et un tableau des sigles utilisés sont présentés en fin d'article.