Article

1 - PROPRIÉTÉS PHYSIQUES DES MATÉRIAUX III-N

2 - HÉTÉROÉPITAXIE DES MATÉRIAUX III-N

3 - ASPECTS ENVIRONNEMENTAUX

4 - CONCLUSION

5 - GLOSSAIRE

6 - SIGLES, NOTATIONS ET SYMBOLES

Article de référence | Réf : E1995 v3

Dispositifs HEMT à base de GaN - Matériaux et épitaxie

Auteur(s) : Jean-Claude DE JAEGER

Date de publication : 10 mars 2024

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Présentation

RÉSUMÉ

Dans le domaine de la microélectronique de puissance hyperfréquence, le matériau à grand gap GaN constitue une alternative intéressante grâce à ses propriétés physiques. Il permet de fabriquer des composants de type diode GaN et 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 différentes structures développées et les méthodes de croissance utilisées, épitaxie en phase vapeur aux organométalliques ou sous jets moléculaires, et les problèmes liés au substrat d’accueil (principalement SiC ou Si).

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ABSTRACT

HEMTs Devices based on GaN - Material and epitaxy

In the field of microwave power electronics, the wide bandgap material GaN offers an interesting alternative by its physical properties. It makes it possible to manufacture devicessuch as GaN diodes and High Electron Mobility Transistors (HEMTs) that operate at high frequency, thanks to their good electronic transport properties and high breakdown voltage. This article describes the specific features of the semiconductor and associated heterostructures, in particular spontaneous and piezoelectric polarizations and the different developed structures and the growth methods used, metal-organic chemical vapor deposition or molecular beam epitaxy, as well as problems related to the host substrate (mainly SiC or Si).

Auteur(s)

  • Jean-Claude DE JAEGER : Professeur émérite à l’Université de Lille, France - Groupe Composants et Dispositifs Micro-ondes de Puissance à l’Institut d’Électronique, 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 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.

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KEYWORDS

HEMT GaN   |   Heteroepitaxy   |   III-N materials   |   Growth technics

VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v3-e1995


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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - WRIGHT (A.F.), NELSON (J.S.) -   Consistent structural properties for AlN, GaN, and InN.  -  Phys. Rev. B, 51(12), pp. 7866-7869 (1995).

  • (2) - FOUTZ (B.E.), O’LEARY (S.K.), SHUR (M.S.), EASTMAN (L.F.) -   Transient electron transport in wurtziteGaN, InN, and AlN.  -  J. Appl. Phys., 85(11), pp. 7727-7734 (1999).

  • (3) - BERNARDINI (F.), FIORENTINI (V.), VANDERBILT (D.) -   Spontaneous polarization and piezoelectric constants of III-V nitrides.  -  Phys. Rev. B, 56(16), pp. R10024-R10027 (1997).

  • (4) - AMBACHER (O.), MAJEWSKI (J.), MISKYS (C.), LINK (A.), HERMANN (M.), EICKHOFF (M.), STUTZMANN (M.), BERNARDINI (F.), FIORENTINI (V.), TILAK (V.), SCHAFF (B.), EASTMAN (L.F.) -   Pyroelectric properties of Al(In)GaN/GaN hetero- and quantum well structures.  -  J. Phys. Condens. Matter, 14(13), p. 3399 (2002).

  • (5) - TASLI (P.), LISESIVDIN (S.B.), YILDIZ (A.), KASAP (M.), ARSLAN (E.), ÖZCELIK (S.), OZBAY (E.) -   Well parameters of two-dimensional electron gas in Al0.88In0.12N/AlN/GaN/AlNheterostructures grown by...

DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES

1 Outils logiciels

COMSOL Multiphysics, [Logiciel] COMSOL GmbH Technoparkstrasse 1, 8005 Zürich, Suisse

HAUT DE PAGE

2 Événements

International Conférence on Molecular Beam Epitaxy (ICMBE) – la dernière (22e) a eu lieu à Sheffield, UL en septembre 2022.

International Conférence on Vapor Phase Epitaxy (ICVPE) – la prochaine (21e) aura lieu à Las Vegas, Nevada en mai 2024.

International Conference on Nitride semiconductors (ICNS) – la dernière (14e) aura lieu à Fukuoka, Japon en novembre 2023.

International Workshop on Nitride Semicoductors (IWN) – le dernier a eu lieu à Berlin, Allemagne, en octobre 2022.

European Workshop on Molecular Beam Epitaxy (EuroMBE) – le dernier a eu lieu à Madrid, Espagne en avril 2023.

Compound Semiconductor Week (CSW) – la dernière a eu lieu à Jeju, Corée en mai-juin 2023.

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