Présentation
EnglishRÉSUMÉ
Dans le domaine de la microélectronique de puissance hyperfréquence, le matériau à grand gap GaN constitue une alternative particulièrement intéressante grâce à ses propriétés physiques. Il permet de fabriquer des composants de type High Electron Mobility Transistors (HEMT) fonctionnant à haute fréquence grâce à de bonnes propriétés de transport électronique et une tension de claquage élevée. Cet article décrit les spécificités du semiconducteur et des hétérostructures associées, notamment les polarisations spontanée et piézoélectrique ainsi que les méthodes de croissance utilisées, épitaxie en phase vapeur aux organométalliques ou sous jets moléculaires, et les problèmes liés au substrat d’accueil (SiC ou Si).
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Jean-Claude DE JAEGER : Professeur à l’Université de Lille 1 – Sciences et Technologies, Lille, France - Responsable du groupe Composants et Dispositifs Micro-ondes de Puissance à l’Institut d’Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie (IEMN), UMR CNRS 8520, Villeneuve-d’Ascq, France
INTRODUCTION
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 :
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une couche de nucléation déposée sur le substrat afin d’assurer un bon accord de maille avec le GaN,
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une couche de GaN constituant la couche tampon (buffer) et la zone active,
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une fine zone en AIN permettant d’améliorer les propriétés de transport dans le canal,
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une zone de barrière en AIGaN ou AlInN voire en AIN,
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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.
VERSIONS
- Version archivée 1 de août 1999 par Jean-Yves DUBOZ
- Version courante de mars 2024 par Jean-Claude DE JAEGER
DOI (Digital Object Identifier)
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2. Hétéroépitaxie des matériaux III-N
2.1 Substrats utilisés
Le choix du substrat est déterminant pour ce qui concerne la qualité de l’hétéroépitaxie. La croissance des matériaux III-N est possible sur différents types de substrats. L’idéal est d’assurer directement la croissance du nitrure de gallium sur un substrat de GaN massif, afin de réduire les défauts structuraux, on parle alors de croissance homomorphique. Néanmoins, pour la plupart des applications, la nature du substrat hôte est différente de la couche épitaxiée. On parle alors de croissance métamorphique car, dans le cas du GaN, il n’existe aucun substrat en accord de maille.
Dans l’industrie, la valeur de la densité de dislocations est un des critères les plus importants pour le développement de dispositifs fiables. Pour la fabrication de structures de type HEMT, les substrats doivent allier une haute qualité cristalline, une bonne isolation électrique, car les structures sont planaires, et une bonne conductivité thermique, car ces transistors génèrent des densités de puissance élevées et, a fortiori, de l’auto-échauffement. De plus, plusieurs paramètres sont à prendre en considération tels que le désaccord de maille, le coefficient d’expansion thermique, la structure cristalline, les propriétés chimiques et physiques et le traitement de surface. Les propriétés générales des principaux substrats utilisés pour la croissance des structures III-N sont résumées dans le tableau 7.
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Le substrat saphir a été utilisé dans les premiers développements des hétéroépitaxies de matériaux III-N. En effet, les premiers résultats significatifs pour la croissance de GaN ont été obtenus par Nakamura en 1994 qui a réalisé des diodes électroluminescentes sur saphir (Al2O3). C’est un matériau semi-isolant très stable disponible en substrats de diamètre 4 in. L’inconvénient majeur de ce substrat réside dans sa faible conductivité thermique faisant de lui un mauvais candidat pour les applications de puissance hyperfréquence : Pour pallier cet inconvénient, il est possible d’envisager...
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Hétéroépitaxie des matériaux III-N
BIBLIOGRAPHIE
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(5) - TASLI (P.), LISESIVDIN (S.B.), YILDIZ (A.), KASAP (M.), ARSLAN (E.), ÖZCELIK (S.), OZBAY (E.) - “Well...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
COMSOL Multiphysics, [Logiciel] COMSOL GmbH Technoparkstrasse 1, 8005 Zürich, Suisse
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International Conférence on Molecular Beam Epitaxy (ICMBE)
La dernière (19e) a eu lieu à Montpellier en septembre 2016. https://mbe2016.sciencesconf.org/
International Conférence on Vapor Phase Epitaxy (ICVPE)
La dernière (18e) a eu lieu à San Diego en juillet 2016. https://apps.dtic.mil/sti/citations/AD1059333
International Conference on Nitride semiconductors (ICNS)
La prochaine (12e) aura lieu à Strasbourg en juillet 2017. http://www.european-mrs.com/latest-news-endorsed-meeting/icns-12-12th-international-conference-nitride-semiconductors
International Workshop on Nitride Semicoductors (IWN)
Le dernier...
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