Fabrication et optimisation des caractéristiques thermiques de diodes Schottky de la filière GaAs et reportées sur SiHR pour des applications de multiplication de fréquences

Fabrication and optimization of thermal characteristics of GaAs schottky diodes transferred on SiHR for frequency multipliers applications

• Auteur / Autrice : Hugo Bouillaud
• Direction : Mohammed Zaknoune, Pierre Gellie, Yan Delorme
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
• Date : Soutenance le 07/12/2023
• 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
• Jury : Président / Présidente : Guillaume Ducournau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohammed Zaknoune, Pierre Gellie, Yannick Roelens, Alain Maestrini, Rachid Driad, Jeanne Treuttel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne-Laure Billabert, Jean-Guy Tartarin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Contacts métal-semiconducteur

Silicium -- Substrats

Rayonnement terahertz

Conductivité thermique

Semiconducteurs à l'arséniure de gallium

Propriétés thermiques

Diodes à barrière de Schottky

Mots clés libres

Technologie III-V

Multiplication de fréquence

Thermocompression

Résistance thermique

GaAs Schottky diodes

III-V technology

Frequency multipliers

Substrate transfert

Thermocompression

Thermal resistance

Résumé

Les besoins exponentiels liés aux applications exploitant le domaine THz nécessitent d'accroitre l'éventail des sources disponibles et d'optimiser leur fabrication. Dans ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés aux diodes schottky en vue de la réalisation de multiplicateurs de fréquences. Notre travail de recherche expérimental a consisté en l'optimisation des caractéristiques de diodes schottky de filière GaAs, par le développement et la mise en œuvre d'un procédé de fabrication innovant. Dans un premier temps, nous avons réalisé des diodes schottky GaAs sur substrat GaAs de différentes tailles, pour élaborer des composants de référence. Nous avons ensuite fabriqué un composant de type flip-chip pour une application de multiplication à 150 GHz en boitier guide d'ondes. Enfin, dans le but d'améliorer les performances en puissance des diodes, nous avons optimisé leur dissipation thermique en transférant leur structure épitaxiale sur un substrat bénéficiant d'une meilleure conductivité thermique : le SiHR (silicium haute résistivité). Le procédé technologique complet de ces fabrications est détaillé, puis la dernière partie de l'étude est consacrée à leurs caractérisations. D'une part, nous avons évalué les éventuelles variations sur les caractéristiques des diodes GaAs sur GaAs, induites par les différentes tailles. D'autre part nous avons comparé les deux technologies sur les substrats SiHR et GaAs. Ce travail montre l'apport que peut présenter ce type de technologie reportée, où une diminution significative de la résistance thermique des composants est observée, et est associée à un gain notable sur la résistance série.

The exponential needs associated with applications exploiting the THz domain require to expand the range of available sources and optimize their fabrication processes. In this thesis, we focused on schottky diodes for its use as frequency multipliers. Our experimental research involved optimizing the characteristics of GaAs schottky diodes through the development and implementation of an innovative fabrication process. First, we fabricated GaAs schottky diodes on GaAs substrate with several aspect ratios in order to make a reference in terms of device. Then we fabricated a flip-chip device for a 150 GHz frequency multiplication application in a waveguide block. Finally, in order to enhance the power handling of the diodes, we optimized their thermal dissipation by transferring their epitaxial structure onto a substrate with higher thermal conductivity : SiHR (high resistivity silicon). The complete technological processes for these fabrications are detailed, and the last part of the study is dedicated to their characterization. On one hand, we assessed any variations in the characteristics of GaAs diodes on GaAs induced by the different aspect ratios. On the other hand, we compared the two technologies on SiHR and GaAs substrates. This work demonstrates the potential of this type of transferred technology, where a significant reduction of thermal resistance is observed and is associated with a notable improvement of the series resistance.