Co-intégration de HEMT GaN hyperfréquence normally-off avec des normally-on

par Sébastien Aroulanda

Thèse de doctorat en Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes

Sous la direction de Christophe Gaquière et de Jean-Claude De Jaeger.

Soutenue le 16-09-2020

à Lille , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille) , en partenariat avec Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie (1992-....) (laboratoire) , Institut d’Électronique- de Microélectronique et de Nanotechnologie (IEMN) - UMR 8520 / IEMN (laboratoire) et de III-V Lab (Essonne) (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-Marie Bluet.

Le jury était composé de Jean-Marie Bluet, François Julien, Maria Susana Perez Santos, Nathalie Malbert, Olivier Patard, Nicolas Defrance, Philippe Fellon, Sylvain Delage.

Les rapporteurs étaient Jean-Marie Bluet, François Julien.


  • Résumé

    Dans le cadre de la fabrication de dispositifs hyperfréquences, la fonctionnalité normally-off présente deux avantages : elle permet d’une part de s’affranchir de la source de tension négative pour les circuits intégrés monolithiques hyperfréquences (Monolithic Microwave Integrated Circuit – MMIC) et, d’autre part, la co-intégration de transistors normally-on et normally-off permettrait de réaliser des circuits logiques.Ce manuscrit présente les travaux réalisés dans l’objectif de développer un procédé de fabrication de HEMT normally-off compatible avec la fabrication de normally-on, permettant ainsi leur co-intégration au sein de la même puce. Pour cela, deux technologies ont été étudiées : l’une basée sur la combinaison d’un recess de grille, d’une implantation de fluor sous la grille et d’un dépôt d’oxyde de grille et l’autre basée sur la nanostructuration de l’espace source-drain afin des réaliser des FinFET GaN. La première technologie nous as permis d’obtenir des transistors normally-off présentant une tension de seuil d’environ 1,4 V associée à une densité de courant maximale de 1 A/mm. Ces composants, bien que présentant des résultats satisfaisants, souffrent toutefois d’effets de pièges importants qui sont probablement dus à l’oxyde de grille et qui doivent absolument être réduits. La technologie FinFET était quant à elle une première au laboratoire et nécessite encore de nombreuses optimisations. Les transistors ainsi fabriqués présentent cependant des résultats prometteurs avec des topologies entrainant un décalage de la tension de seuil de + 3 V par rapport aux transistors de références et d’autres permettant de quasiment doubler la densité de courant de drain.

  • Titre traduit

    Cointegration of normally-off and normally-on high frequency GaN HEMTs


  • Résumé

    In the context of high frequency devices fabrication, normally-off transistors offer two benefits: they eliminate the need of a negative voltage supply in the case of Monolithic Microwave Integrated Circuit (MMIC) and would allow the fabrication of logic circuits if integrated with normally-on HEMT.This manuscript exposes the work performed to develop a normally-off HEMT fabrication process compatible with the fabrication of normally-on transistors. To achieve this, we studied two technologies: one based on the combination of a gate recess, fluorine implantation under the gate and gate-oxide deposition while the other is based on the nanostructuration of the source-drain region in order to make GaN FinFET. The first process gave us normally-off transistors with threshold voltage of 1,4 V associated with current density of about 1 A/mm. However, these devices suffer from significant trap effects that are probably due to the gate oxide. The FinFET technology we have developed, as a first trial, still needs a lot of optimization but showed promising results. While a topology lead to an increase of the threshold voltage of about + 3 V compared to the reference, an other one lead to a doubling of the current density.


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