Dispositifs HEMT à base de GaN - Technologie et caractérisation

Le monde des semi-conducteurs est dominé, en termes de marché, par le silicium. Cependant, il existe d’autres semi-conducteurs tels que le germanium, mais surtout les semi-conducteurs 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 semi-conducteurs dit grand gap, tels que le SiC et le GaN avec des gaps respectifs de 3,2 et 3,4 eV. Ces semi-conducteurs permettent de réaliser des composants qui allient tensions de claquage et courants élevés, ce qui les destinent aux applications de puissance. Cet article traite les aspects liés à la réalisation technologique des composants et leur caractérisation électrique et hyperfréquence.

En ce qui concerne la technologie des HEMTs (transistor à haute mobilité électronique), différentes étapes sont nécessaires à partir d’une lithographie électronique : les marques d’alignement qui correspondent à des points de repère sur l’échantillon afin d’aligner et d’écrire les différents niveaux de masque ; les contacts ohmiques qui peuvent être recuits ou non alliés ; l’isolation des composants obtenue soit à partir d’une structure mésa, soit par implantation ionique ; la réalisation des électrodes de grille constituant une des étapes les plus critiques pour la montée en fréquence ; la passivation du composant précédée d’un prétraitement afin d’améliorer l’interface ; l’interconnexion et enfin les ponts à air pour les composants ayant plus de deux doigts de grille. Pour obtenir des transistors fonctionnant à des fréquences élevées, il est impératif de diminuer les éléments parasites, aussi différents types de grille ont été proposés : en T ou champignon, en Γ, en TT ou en Y. Il faut également réduire les dimensions, aussi la technologie auto-alignée constitue une alternative intéressante. Les transistors HEMTs doivent être caractérisés en régime électrique et en hyperfréquence. Ceci permet d’établir la qualité des contacts ohmiques, de déterminer les performances en tension et en courant, la transconductance, et les performances en fréquence via la mesure des paramètres S. Les performances en puissance sont quant à elles déterminées à partir de mesures de type load pull.

Les HEMTs de la filière GaN sont surtout destinés à l’application de puissance hyperfréquence et à la conception de commutateurs pour les convertisseurs en électronique de puissance. Les applications de puissance hyperfréquence concernent les domaines militaires et civils dédiés aux télécommunications, pour des fréquences de fonctionnement allant de la bande S à la bande W. Les principales applications concernent les radars civils et militaires. Dans le domaine militaire, on peut également citer les brouilleurs et les autodirecteurs de missiles. Dans le domaine des télécommunications, les applications sont les liaisons point à point et point à multipoints, les liaisons satellitaires, les liaisons du réseau de transport (backhauling) jusqu’à 85 GHz. Les potentialités de la technologie GaN laissent également présager la possibilité de développer des amplificateurs faible bruit dit « robustes », présentant un facteur de bruit et un gain identiques à ceux obtenus par la technologie GaAs, tout en étant capables de résister à des champs électriques élevés, ce qui peut permettre la suppression des limiteurs dans les chaînes de réception radar. La dernière application concerne les convertisseurs pour l’électronique de puissance où on allie une grande robustesse diélectrique, une densité de courant élevée, la possibilité de commutation rapide, une faible résistance R_on et la capacité de supporter des températures de fonctionnement élevées. Pour cet objectif, il est impératif de développer des HEMTs normalement bloqués et également des diodes GaN afin de simplifier la conception de convertisseurs de puissance fonctionnant à haute fréquence (> 1 MHz).

En fin d'article, le lecteur trouvera un glossaire et un tableau des sigles et des symboles utilisés.