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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 destine 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. On peut fabriquer des composants à haute mobilité électronique (HEMTs), ou des circuits intégrés millimétriques monolithiques de type MMIC, fonctionnant jusqu’à 110 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, AlInN et ScAlN, et quaternaire, 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 GaN, AIN et 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 AlGaN, AlInN, AIGaInN, AlN ou ScAlN, 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 tels que, en particulier, SiC et Si, sont-ils couramment utilisés. Le premier permet d'obtenir les meilleures performances, grâce à un faible désaccord de maille avec le GaN. Le second est plus disponible en grande taille, et peu coûteux.

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, qui permet d’améliorer les propriétés de transport dans le canal ;

• une zone de barrière en AIGaN, AlInN, AlGaInN, AIN ou ScAlN ;

• 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 (Cree, Macom), asiatiques (Fujitsu, Mitsubishi Electric, Toshiba) et européens (Ammono, Iqe, Saint Gobain-Lumilog, Sicrystal, Soitec Belgium), ce qui permet de fournir des épitaxies sur substrats Si, SiC et GaN. Le marché militaire utilise uniquement des épitaxies sur substrat SiC, qui offrent les meilleures performances en RF, mais 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, à cause de 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.