Reprise de croissance MOVPE des contacts ohmiques pour des dispositifs de type HEMT à base de GaN

Ohmic contact regrown by MOVPE for GaN-based HEMT type devices

• Auteur / Autrice : Charles Pitaval
• Direction : Christophe Gaquière
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
• Date : Soutenance le 11/07/2023
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie - III-V Lab
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Aniel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Defrance, Mohammed Zaknoune, Valeria Di Giacomo, Nicolas Michel, Marie Lesecq, Cédric Lacam
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Isabelle Sagnes, Jean-Michel Nébus

Mots clés

Mots clés contrôlés

Semiconducteurs -- Dopage

Ondes millimétriques

Dépôt en phase vapeur par organométalliques

Nitrure de gallium

Contacts métal-semiconducteur

Transistors à effet de champ à dopage modulé

Mots clés libres

Contacts ohmiques

Croissance sélective des semiconducteurs

GaN

High electron mobility transistors

Ohmic contacts

Metalorganic chemical vapor deposition

Regrowth

Millimeter-Wave

Résumé

Les transistors à haute mobilité électronique utilisés dans le domaine des hyperfréquences nécessitent une réduction constante de leurs dimensions et de l'optimisation de leurs caractéristiques électriques. Pour répondre à cette exigence, la reprise de croissance de GaN fortement dopé en silicium est appliquée sous les métaux de contacts ohmiques. Cette technique, nommée SAG (Selective Area Growth) permet de réduire les résistances de source et de drain en améliorant à la fois la résistance de contact et le contrôle des dimensions. Nous nous intéressons dans cette étude à l'application de la SAG par épitaxie en phase vapeur sur une structure HEMT InAlGaN/AlN/GaN. La barrière quaternaire en accord de maille avec le GaN permet d'obtenir une densité de porteur à 1,7.1013 cm-2 dans le gaz d'électron bidimensionnel. Toutefois, une telle hétérostructure nécessite que la reprise de croissance soit réalisée à des températures inférieures à 850 °C de sorte à ne pas dégrader le gaz d'électron bidimensionnel en raison de la volatilité de l'indium. Cette thèse expérimentale vise à étudier le dopage du GaN et la SAG en respectant cette condition. Les objectifs physiques et électriques sont définis en amont de chaque étude ce qui nous a permis d'atteindre un haut niveau de dopage l'ordre de 1.1020 cm-3 et une reprise de croissance hautement sélective, homogène et reproductible à 850 °C. Nous avons ensuite appliqué ces résultats à la fabrication des contacts ohmiques et une résistance de contact Rc = 0,06 Ω.mm à l'état de l'art est extraite sur une hétérostructure sur SiC. L'étude des performances des transistors montre une nette amélioration de la transconductance jusqu'à 914 mS.mm-1 engendrant des fréquences de coupures mesurées à ft = 92 GHz et fmax = 190 GHz sur un transistor 2x50 µm et Lg = 100 nm. Nous démontrons ainsi le développement d'une technologie de rupture qui peut être intégrée dans le procédé de fabrication actuel.

High electron mobility transistors used in the microwave field require a constant reduction of their dimensions and the optimization of their electrical characteristics. To meet this requirement, the regrowth of highly silicon-doped GaN is applied under the ohmic contact metals. This technique, called SAG (Selective Area Growth), allows the reduction of source and drain resistances by improving both contact resistance and size control. In this study, we focus on the application of SAG by vapor phase epitaxy on an InAlGaN/AlN/GaN HEMT structure. The quaternary barrier in lattice agreement with GaN enables to achieve a carrier density at 1,7.1013 cm-2 in the two-dimensional electron gas. However, such a heterostructure requires that the regrowth is performed at temperatures below 850 °C so as not to degrade the two-dimensional electron gas due to the volatility of indium. This experimental thesis aims to study the doping of GaN and SAG under this condition. The physical and electrical objectives are defined before each study, which allowed us to achieve a high doping level on the order of 1.1020 cm-3 and a highly selective, homogeneous and reproducible regrowth at 850 °C. We then applied these results to the fabrication of ohmic contacts and a state-of-the-art contact resistance Rc = 0.06 Ω.mm is extracted on a heterostructure on SiC. The investigation of transistor performances shows a clear improvement of the transconductance up to 914 mS.mm-1 generating cut-off frequencies measured at ft = 92 GHz and fmax = 190 GHz on a 2x50 µm transistor and Lg = 100 nm. Therefore, we present the development of a breakthrough technology that can be implemented within the current manufacturing process.