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EnglishRÉSUMÉ
Cet article est consacré au Transistor à Haute Mobilité Electronique (HEMT) à base de GaN dont le fonctionnement, la structure épitaxiale et les limitations physiques et thermiques sont analysés. Il décrit les différentes étapes technologiques et les variantes possibles pour un fonctionnement à haute fréquence, ainsi que les méthodes de caractérisation électrique, caractérisation en régime hyperfréquence, caractérisation en puissance et caractérisation thermique. Les principales applications sont abordées : l’amplification de puissance hyperfréquence de la bande S à la bande W, les commutateurs HEMT GaN et les diodes GaN dédiés aux convertisseurs pour l’électronique de puissance et les amplificateurs faible bruit robustes.
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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 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 Ron 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.
VERSIONS
- Version archivée 1 de nov. 2017 par Jean-Claude DE JAEGER
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6. Aspects environnementaux
Associé à un substrat carbure de silicium à haute conductivité thermique, le nitrure de gallium apporte aux applications de puissance des avantages considérables : une tenue en tension de 5 à 10 fois supérieure aux semi-conducteurs traditionnels et une meilleure dissipation thermique. Ce semi-conducteur permet de réaliser des composants qui allient tension de claquage, mobilité électronique et courant élevés. Les applications des dispositifs GaN dédiés à la RF ou à l’EP permettent généralement une baisse des coûts et de la consommation d’énergie, qui se traduit par une diminution des émissions de gaz à effet de serre.
Au-delà de la résilience aux radiations, pour les applications satellitaires, les dispositifs GaN offrent des performances électriques RF inégalées par rapport aux composants au silicium et GaAs. Pour les applications spatiales, cela se traduit par des dispositifs plus petits, plus légers et plus compacts, ce qui les rend idéaux pour les applications où l'espace est limité. Leurs réductions de taille contribuent à des économies de coûts en optimisant l'utilisation de l'espace dans les charges utiles des satellites et également des réductions de la consommation d’énergie.
Le semi-conducteur GaN présente plusieurs propriétés qui le rend attractif pour les applications de transport. Son utilisation peut conduire à des véhicules plus efficaces, plus rapides et plus légers, avec une plus grande autonomie et un impact environnemental moindre. Ces véhicules peuvent fonctionner à des températures et des tensions nettement plus élevées, offrant des niveaux de puissance plus élevés et des pertes plus faibles. Bien que le SiC et le GaN conviennent tous deux à cette application, les caractéristiques du GaN, telles qu'une fréquence de commutation élevée, de faibles pertes de conduction, ainsi qu'une taille et un poids réduits, en font la solution idéale pour la mise en œuvre de chargeurs embarqués ayant les meilleures performances, ce qui se traduit par un meilleur bilan énergétique et une moindre empreinte carbone.
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - CAPPY (A.) - Propriétés physiques et performances potentielles des composants submicroniques à effet de champ : structures conventionnelles et à gaz d'électrons bidimensionnel. - Thèse de Doctorat d’État en Sciences Physiques, université de Lille 1 (1986).
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(2) - RIDLEY (B.K.), FOUTZ (B.E.), EASTMAN (L.F.) - Mobility of electrons in bulk GaN and AlxGa1−xN/GaN heterostructures. - Physical Review B, vol. 61, no. 24, pp. 16862-16869 (2000).
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(3) - GIACOLETTO (L.J.) - Diode and transistor equivalent circuits for transient operation. - IEEE Journal of Solid-State circuits, vol. 4, pp. 80-83 (1969).
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(4) - BAH (M.), VALENTE (D.), LESECQ (M.), DEFRANCE (N.), GARCIA BARROS (M.), DE JAEGER (J.C.), FRAYSSINET (E.), COMYN (R.), THI HUONG NGO, ALQUIER (D.), CORDIER (Y.) - Electrical activity at the Aln/Si interface : identifying the main origin of propagation losses in GaN on Si devices at microwave frequencies. - Scientific Reports 10, p. 14166 (2020).
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(5) - LEONE...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
International Conference on Nitride semiconductors (ICNS)
La dernière (14e) a eu lieu à Fukuoka, Japon en novembre 2023.
European Microwave Week (EuMW)
La prochaine a lieu à Paris, France en octobre 2024.
IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM)
La dernière a lieu à San Francisco, USA en juin 2023.
https://www.ieee.org/conferences
International Microwave Symposium (IMS)
La prochaine a lieu à Washington, USA en juin 2024.
Journées Nationale Microondes
La prochaine a lieu à Antibes Juan-les pins en Juin 2024.
https://jnm2024.scienceconf.org
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