Epitaxy of innovative heterostructures for the scaling of GaN HEMTs
Epitaxie d’hétérostructures innovantes pour la montée en fréquence des HEMTs à base de GaN
Résumé
This thesis focuses on the design, the fabrication and the characterization of GaN-based high electron mobility transistors (HEMTs) including the localised regrowth of highly doped n-type GaN to side contact the bi-dimensional electron gas (2DEG). These regrowth regions have the particularity of being in direct contact with the 2DEG, resulting in lower ohmic contact resistances. The approach developed here also ensures better lateral definition of the contacts by avoiding or reducing the high-temperature anneal of ohmic contacts, which is responsible for metal diffusion. This allows the reduction of the distance between source and drain contacts, resulting in an increase of the operating frequency and of the efficiency of the transistors. This thesis covers three main topics: the study of the localized growth of heavily n-doped GaN regions by two epitaxy techniques widely used in the field (MBE and MOVPE), the development of the technological manufacturing process and the electrical characterization of transistors with n-GaN regrowth at the ohmic contacts. The study was carried out on different HEMT structures with ternary (AlGaN) and quaternary (InAlGaN) alloy barriers. We took into account and studied several parameters, including the topology of the devices, the metallization schemes, the doping level and the conductivity of the n-GaN layers. In addition, we studied suitable surface preparations before the regrowth as well as the impact of the n-GaN growth conditions on the critical interface zone between the 2DEG and the n-GaN. We extracted the contact resistances on a large number of samples from the measurements of Transmission Line Method (TLM) patterns in order to quantify the different contributions, including the quality of the interface. We then used the best sets of parameters to fabricate GaN-based RF devices and we investigated their DC characteristics and RF performances.
Les travaux de cette thèse portent sur le développement et l’étude de transistors à haute mobilité électronique à base de GaN comportant une approche innovante pour leur montée en fréquence de fonctionnement. Cette technologie repose sur l’épitaxie localisée de caissons de GaN fortement dopé de type n au niveau des contacts ohmiques. Ces caissons ont la particularité d’être en contact direct avec le gaz d’électrons du canal, ce qui doit permettre de réduire les résistances de contact. La conduction des électrons dans le contact et à l’interface avec le gaz d’électrons est facilitée si le dopage de type n est suffisamment élevé. La zone d’interface entre le gaz d’électrons et le n-GaN est une zone sensible, ce qui demande une préparation adaptée avant l’épitaxie localisée. Les résistances d’interface ont été extraites des mesures des différents motifs de test TLM afin de qualifier la qualité de l’interface. La réduction des distances entre contacts de source, de grille et de drain, permet d’augmenter la fréquence de fonctionnement des transistors. L’approche développée ici permet également de garantir un meilleur contrôle des distances en s’affranchissant du recuit des contacts ohmiques à haute température responsable du fluage des métaux. Cette thèse comprend trois volets principaux : l’étude de la croissance localisée de caissons de GaN fortement dopé n par deux techniques d’épitaxie largement utilisées dans le domaine (MBE et MOVPE), le développement du procédé technologique de fabrication ainsi que la caractérisation électrique des transistors avec des caissons de n-GaN au niveau des contacts ohmiques. L’étude a été réalisée sur différentes structures HEMT avec des barrières en alliages ternaires (AlGaN) et quaternaires (InAlGaN).
Origine : Version validée par le jury (STAR)