Evaluation de la robustesse d'une technologie HEMT GaN normally-off à implantation d’ions fluorures co-intégrée avec une technologie HEMT GaN normally-on

par Florent Albany

Thèse de doctorat en Electronique

Sous la direction de Nathalie Malbert et de Nathalie Labat.

Le président du jury était Jean-Guy Tartarin.

Le jury était composé de Nathalie Malbert, Nathalie Labat, Jean-Guy Tartarin, Farid Medjdoub, Olivier Latry, François Lecourt, Arnaud Curutchet.

Les rapporteurs étaient Farid Medjdoub, Olivier Latry.


  • Résumé

    Grâce aux propriétés exceptionnelles du nitrure de gallium GaN, telles que sa large bande interdite, son champ électrique critique élevé, sa capacité à fonctionner à des températures élevées et ses performances à haute fréquence, les transistors à haute mobilité électronique HEMTs à base de GaN sont considérés comme les meilleurs candidats pour la prochaine génération de circuits RF de puissance. Répondant aux spécifications rigoureuses de la 5G, les circuits MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit) multifonctionnels en GaN ont déjà remplacé avec succès les circuits discrets en silicium Si et en arséniure de gallium GaAs dans les stations de base avec des gains considérables en termes d'intégration et de performances. Cependant, le HEMT GaN standard est de type normally-on, ou naturellement passant en l'absence de polarisation sur sa grille (VGS = 0 V) en raison de la forte polarisation spontanée et piézoélectrique du matériau. L'absence de technologie co-intégrant des HEMTs GaN normally-off et normally-on, est un inconvénient considérable pour de nombreuses applications en terme de sureté de fonctionnement, de fiabilité, d'intégration et de consommation au repos. La fabrication de HEMTs GaN normally-off à l'échelle industrielle reste un challenge en raison de la forte densité de porteurs dans le canal. L'enjeu de ce travail de thèse consiste à évaluer les performances et la robustesse de HEMTs GaN normally-off fabriqués par une méthode d'implantation d'ions fluorures sous la grille. Ces HEMTs sont fabriqués en ajoutant les étapes nécessaires au procédé de fabrication d'une technologie HEMT GaN normally-on commerciale. Ils permettront la réalisation de circuits numériques de commande des étages de puissance, toujours réalisés en HEMTs GaN normally-on, en raison de leurs meilleures performances. Cette étude a été réalisée sur deux lots de composants, correspondant au premier et au second essai du fondeur, de co-intégration monolithique de HEMTs GaN normally-on et normally-off. Des outils et des méthodes de mesure automatisés ont été développés afin d'évaluer les performances et la robustesse des dispositifs. La campagne de caractérisation statique a mis en évidence la faible dispersion des paramètres statiques et les hautes performances des HEMTs du second essai de co-intégration. Les HEMTs GaN normally-off présentent une tension de seuil Vth = +0,35 V, une transconductance gm,max = 590 mS.mm 1 et un courant de drain IDS,max de plus de 1 A.mm-1. Des tests de vieillissement accéléré par palier ont révélé différents modes de dégradation liés à la présence des ions fluorures dans l'hétérostructure des HEMTs GaN normally-off. Un décalage négatif de la tension Vth de ces derniers est observé à partir d'une tension de drain VDS = 10 V et atteint jusqu'à -0,85 V lorsque le HEMT est polarisé à VGS = 1,5 V et VDS = 18 V. Un mécanisme de migration des ions fluorures activé par le champ électrique a été proposé afin d'expliquer ces différents modes de dégradation. Ces travaux contribueront à une meilleure compréhension des mécanismes de dégradation responsables de l'abaissement des performances et de la fiabilité des HEMTs GaN normally-off, fabriqués par la méthode d'implantation d'ions fluorures sous la grille.

  • Titre traduit

    Robustness assessment of normally-off GaN HEMT technology with fluorine ions implantation co-integrated with normally-on GaN HEMT technology


  • Résumé

    Thanks to the outstanding properties of GaN, such as its wide band gap, its high critical electric field, its ability to operate at high temperatures and its high frequency performances, GaN-based HEMTs are considered as the best candidates for the next generation of RF power circuits. Meeting the stringent requirements of 5G, multifunctional GaN MMICs (Monolithic Microwave Integrated Circuits) have already successfully replaced discrete Si and GaAs circuits in base stations with considerable gains in terms of integration and performances. However, the standard GaN HEMT is normally-on type, which means that it is naturally in conduction mode in the absence of gate polarisation (VGS = 0 V). This is due to the strong spontaneous and piezoelectric polarisation of the material. The lack of technology that co-integrates normally-off and normally-on GaN HEMTs is a considerable disadvantage for many applications in terms of safety, reliability, integration and power consumption. The fabrication of normally-off GaN HEMTs at industrial scale remains a challenge due to the high carrier density in the channel. The aims of this thesis work is to assess the robustness and the performances of normally-off GaN HEMTs fabricated by the fluorine ions implantation technique. These HEMTs are manufactured by adding the required steps to the manufacturing process of a commercial normally-on GaN HEMT technology. They will allow the fabrication of digital circuits for the control of high performances power amplifiers circuits, always based on normally-on GaN HEMTs, due to their higher performance. Studies have been carried out on the first and on the second attempts of the founder to co-integrate normally-on and normally-off GaN HEMTs. Automated measurement procedures and tools were developed to assess devices performances and robustness. DC characterisation campaigns showed the high performances and the low dispersion of the HEMTs of the second batch. The normally-off GaN HEMT provide a truly positive threshold voltage Vth = +0,35 V, a peak transconductance gm,max = 590 mS.mm 1 and a drain current density IDS,max over 1 A.mm-1. Accelerated ageing step-stress tests showed several degradation modes related to the presence of fluorine ions in normally-off GaN HEMTs heterostructure. A negative shift in the voltage Vth of the latter is observed from a drain voltage VDS = 10 V. This shift reaches down to -0,85 V in on-state condition at VGS = 1,5 V and VDS = 18 V. A field-assisted migration mechanism of fluorine ions was proposed to explain the normally-off GaN HEMT degradations. This work contributes to a better understanding of the degradation mechanisms affecting the reliability and the performances of normally-off GaN HEMTs fabricated by the fluorine ion implantation technique.


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