Transistors HEMT AlGaN/GaN flexibles
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Transistors HEMT AlGaN/GaN flexibles
Transistors HEMT AlGaN/GaN flexibles S. Mhedhbi1, M. Lesecq1, P. Altuntas1, N. Defrance1, B. Damilano2, G. Tabares-Jiménez2, Y. Cordier2, A. Ebongué3, E.Okada1 et V. Hoel1 1 IEMN Avenue Henri Poincaré 59652 Villeneuve d’Ascq Cedex, France 2 Centre de Recherche sur l’Hétéro-Epitaxie et ses Applications, CRHEA-CNRS-, rue Bernard Grégory, 06560 Valbonne, France. 3 3M France Company, Avenue Boulé, BP28, 95250 Beauchamp, France E-mail : [email protected] Résumé Cet article présente les mesures en régime statique, en régime hyperfréquence et les mesures de puissance obtenues sur un transistor AlGaN / GaN à haute mobilité électronique (HEMT), transféré sur un substrat flexible. Une densité de courant maximale IDS de 270mA/mm et une transconductance extrinsèque Gmext de 170ms/mm ont été obtenues sur un transistor de longueur de grille Lg=80nm. Le dispositif présente une fréquence de coupure (Ft) et une fréquence d’oscillation maximale (Fmax) autour de 40 GHz. Les mesures de puissance ont été réalisées à 10GHz en mode CW (continuous wave); à VDS = 5V une densité de puissance de sortie de 110mW/mm est obtenue, associée à un rendement PAE de 14 % et un gain linéaire de 12dB. Ces résultats montrent les potentialités de la filière GaN pour l’électronique flexible. 1.Introduction Depuis quelques années, nous assistons à l’essor d’une nouvelle filière d’électronique basée sur des supports flexibles. De nombreuses applications difficilement atteignables par l’électronique classique sont visées, c’est notamment le cas des tags RFID, des capteurs mobiles, des écrans flexibles…. Cette électronique est essentiellement basée sur des matériaux organiques dans lesquels la faible mobilité (<1cm2/V.s) [1] limite considérablement les performances hyperfréquences des composants. Dans ce contexte, l’intégration hétérogène de composants de la filière GaN sur substrat flexible apparait comme une solution prometteuse pour des applications de puissance hyperfréquence où la conformabilité sur surface non plane est souhaitée. En effet, les transistors à haute mobilité électronique HEMT (High Electron Mobility Transistors) de la filière GaN ont fait l’objet de nombreuses études ces dix dernières années pour des applications de puissance hyperfréquence. [2][3]. Grace aux propriétés du matériau GaN, des performances remarquables ont pu être démontrées [4][5][6]. Nous présentons ici les résultats obtenus sur un composant HEMT AlGaN/GaN reporté sur un substrat flexible adhésif. A partir de composants réalisés sur une épitaxie AlGaN/GaN sur substrat silicium, le procédé de transfert repose sur l’élimination du substrat de croissance et le collage sur le substrat flexible [7]. Le substrat flexible utilisé est conçu pour supporter les hautes températures, présente une conductivité thermique de 0.8 W/m.K, et d’excellentes propriétés d’isolation électrique. 2.Technologie de fabrication Le procédé de fabrication du transistor flexible est basé sur trois étapes principales. La première étape consiste à faire la croissance des couches en utilisant la technique de l’épitaxie sous jets moléculaires sur le substrat silicium (111). L’héterostructure est constituée d'une couche de nucléation de 44nm d’AlN, d’une couche de transition 250nm Al0.15Ga0.85N / 130nm d’AlN destinées à réaliser la transition entre le substrat et la couche tampon de GaN. Cette dernière, appelée aussi buffer, est constituée de 1.73μm de Al0.05Ga0.95N permet le confinement des porteurs transférés dans le gaz bidimensionnel d’électrons (2DEG) présent dans une couche canal de GaN épaisse de 10nm. Ce dernier est recouvert par une couche d'exclusion, appelée aussi espaceur, de 1nm AIN et une barrière en AlGaN d’épaisseur 14nm et de teneur en Al de 29% La couche AlN permet de minimiser la pénétration du gaz d’électrons dans la barrière. La structure est recouverte par une fine couche en GaN qui permet de stabiliser les états de surface responsables de la dégradation des propriétés électriques des transistors en fonctionnement et par ailleurs prévient l’oxydation de l’aluminium présent dans la couche barrière. La structure épitaxiale est représentée sur la figure 1. La deuxième étape du procédé est la fabrication des transistors à grille submicronique par lithographie électronique [8]. Les contacts ohmiques sont déposés par évaporation suivant le séquentiel métallique Ti/Al/Ni/Au. Ceci est suivi d’un recuit rapide à 850°C pendant 30 secondes. Les composants sont ensuite isolés par une implantation N+. Par la suite, les grilles en « Té » de longueur Lg=80nm, sont définies par lithographie électronique en utilisant un tri-couches de résine et métallisées avec un séquentiel Ni/Au. Finalement, les transistors sont passivés avec un bi-couche de diélectrique SiN/SiO2 d’épaisseur 50nm/100nm déposé par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) à 340°C après un traitement par plasma N20. Les plots de contact sont définis avec un séquentiel métallique Ti/Au. A ce stade, les mesures effectuées sur les motifs de Van der Pauw ont donné une valeur de mobilité de Hall μ = 1782 cm2/V.s, une densité de porteur Ns de 8.7 × 1012 cm-2 ainsi qu’une valeur de résistance carrée R□ de 403Ω. amincissement en utilisant la couche de nucléation comme couche d’arrêt. Une fois le silicium éliminé, la face arrière des composants est collée sur le flexible. Le support temporaire de saphir est décollé de la face avant des composants par dissolution de la couche de résine photosensible dans l'acétone. Le flexible utilisé est composé d’un support de copolymère renforcé thermiquement revêtu d’un adhésif acrylique et possédant une conductivité thermique de 0.8 W/mK. Toutes les étapes du procédé du transfert des composants sont présentées sur la figure 2. La figure 3 représente une image prise au microscope optique du transistor transféré sur le flexible. A partir de la mesure d’effet Hall, une mobilité électronique de 1778 cm2/Vs est obtenue associée à une densité de porteur Ns de 8.74 × 1012 cm-2 R□ = 402Ω sur flexible. On peut observer que ces caractéristiques coïncident parfaitement avec les précédentes, démontrant qu'aucune modification n’a été introduite par les procédés d'amincissement et de transfert. Finalement, les composants fabriqués sont transférés sur le substrat flexible fourni par la société 3M après élimination du substrat silicium. Figure 2: Détails du procédé de transfert des composants sur flexible Figure 1: Structure du transistor HEMT Figure 3: image prise au microscope du transistor après report sur substrat flexible Pour cela, la face avant des composants est protégée et collée avec une résine sur un substrat hôte en saphir (Al2O3). Cette étape permet l’amincissement du silicium en face arrière par un polissage mécanique suivi d’une gravure sèche sélective avec du di-fluorure de xénon (XeF2) pour enlever délicatement le silicium restant après 0.30 0.18 0.16 0.25 0.14 0.12 0.20 0.10 0.15 0.08 0.06 0.10 gM (S/mm) 3.1.Pertes dans le substrat flexible Pour fabriquer les lignes coplanaires, un séquentiel métallique Ti/Au d'une épaisseur de 50/400nm a été déposé à travers un masque mécanique réalisé avec un substrat de silicium. La figure 4 présente les paramètres de transmission en fonction de la fréquence. Les pertes mesurées sont de 0,3 dB.mm-1 à 10GHz à température ambiante. On peut remarquer que ces valeurs sont du même ordre de grandeur que les pertes actuellement obtenues sur du silicium, prouvant ainsi le potentiel du substrat flexible pour la conception de circuits. Sij, en fonction de la fréquence. Au point de polarisation correspondant au maximum de la transconductance, le composant présente une fréquence de transition (Ft) et une fréquence d’oscillation maximale (Fmax) de 46GHz extrapolées par la pente à -20dB/décade. IDS (A/mm) 3.Performances DC et en régime petit-signal 0.04 0.05 0.02 0.00 0.00 -0.02 -5 -4 -3 -2 -1 0 VGS (V) Figure 5: caractéristique de transfert et transconductance associée du HEMT 2x50x0.08µm² sur le substrat flexible 40 figure 4: Les paramètres de transmission en fonction de la fréquence |H21|, |U| (dB) 30 20 10 3.2. les mesures en régime statique et en fréquence Toutes les mesures présentées dans ces travaux sont effectuées sur un transistor HEMT AlGaN/GaN à deux doigts de grille de largeur 50µm et de longueur 80nm. Les distances entre la source et le drain LDS et la source et la grille LGS sont respectivement de 1.75µm et 0.6µm. Dans le cas présent, les mesures DC sont effectuées en utilisant un analyseur de paramètres Agilent HP4142B. Il est à noter que toutes les mesures statiques et en fréquence et en puissance ont été faites à plat (sans déformation du substrat flexible). La figure 5 montre la caractéristique de transfert IDS-VDS pour différentes valeurs de VGS. Une densité de courant maximale de 270mA/mm est obtenue à VGS=0V (800mA/mm sur substrat silicium avant le transfert). Une valeur maximale de transconductance de 170 mA/mm a été obtenue à VDS = 4V pour un VGS= -2.5 V (290mS/mm avant le transfert). Les paramètres Sij sont mesurés au moyen d’un dispositif sous pointes coplanaires constitué d’un analyseur de réseau vectoriel Keysight (E8361A) dans la bande de fréquence [20 MHz ; 67 GHz] calibré en utilisant la technique Line-Reflect-Reflect-Match (LRRM) [9]. Un deembedding de type Open-Short [10] est utilisé afin d’enlever la contribution des accès coplanaires (effets des éléments parasites capacitifs et inductifs) pour remonter aux performances intrinsèques du composant. La Figue 6 représente le module du gain en courant (|H21 |) et le gain unilatéral (U), déduits des paramètres @4V Ft=FMAX ~ 46 GHz 0 9 10 10 10 11 10 Frequency (Hz) Figure 6: |H21] et |U| du HEMT 2x50x0.08µm² sur substrat flexible à VDS=4V et VGS =-1.8V 4. Mesures en puissance Les mesures de puissance en régime grand signal sont effectuées sous pointes à 10GHz en utilisant une configuration de charge active « load-pull » dans des conditions CW avec un analyseur de réseau grand signal (LSNA) fonctionnant jusqu’à 50 GHz. A VDS=5V et IDS=16mA/mm, correspondant à un fonctionnement en classe AB, les composants sélectionnés montrent detrès bonnes performances : une densité de puissance de 110mW/mm associée à un gain linéaire de 12 dB et une PAE de 14% ont été obtenus à VDS =5 V (figure 7). [6] D. C. Dumka and P. Saunier, “GaN on Si HEMT with 65% power added efficiency at 10 GHz,” Electron. Lett., vol. 46, no. 13, pp. 946–947, Jun. 2010. @10GHz 18 10 -1 110 mW.mm -1 16 104 mW.mm 14 12 0 10 -5 8 PAE (%) Pout (dBm) , Gp (dB) 5 6 -10 4 -15 Class AB @5V Class AB @7V -20 2 0 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 Pabs (dBm) Figure 7: Puissance de sortie, gain linéaire et PAE en fonction de la puissance absorbée à 10 GHz à VDS = 5V avec un transistor HEMT AlGaN/GaN 2 × 50 × 0.1 μm2 sur substrat flexible fourni par 3M. 5. Conclusion Une première démonstration de mesure de puissance a été réalisée à 10GHz sur un transistor HEMT AlGaN/ GaN transféré sur substrat flexible. Le dispositif fournit une densité de courant maximale de 270mA/mm et une transconductance extrinsèque de 170ms/mm. Le dispositif présente également une fréquence de coupure (Ft) et une fréquence d’oscillation maximale (Fmax), autour de 40 GHz. Les mesures effectuées en mode load-pull ont permis d’obtenir une densité de puissance de sortie de 110mW/mm, un rendement PAE de 14 % et un gain linéaire de 12dB à VDS = 5V. Ceci constitue une première étape dans le développement de composants de puissance RF sur flexible qui pourront encore progresser avec l’amélioration de la dissipation thermique. Références [1] T. Sekitani, U. Zschieschang, H. Klauk, T. Someya, “Flexible organic transistors and circuits with extreme bending stability”, Nature Materials, Vol. 9, December 2010 [2] T. Palacios, A. Chakraborty, S. Rajan, C. Poblenz, S. Keller, S. P. DenBaars, J. S. Speck, and U. K. Mishra., “Highpower AlGaN/GaN HEMTs for Ka-band applications,” IEEE Electron Device Lett., vol. 26, no. 11, pp.781- 783, Nov. 2005. [3] S. Tirelli, D. Marti, L. Lugani, M. Malinverni, E. Giraud, JF Carlin, N. Grandjean and C. R. Bolognesi, “AlInN/GaN HEMTs on SiC and on Silicon with Regrown Ohmic Contacts by Selective Ammonia MBE,” CS MANTECH Conf. May 18th - 21st 2015 Scottsdale Ariz. USA 261. [4] P.N. Chyurlia, F. Semond, T. Lester, J.A. Bardwell, S. Rolfe, H. Tang and N.G. Tarr, “Monolithic integration of AlGaN/GaN HFET with MOS on silicon (111) substrates,” Electron. Lett., vol. 46, no. 3, pp. 253-254, Feb. 2010. [5] D. C. Dumka, C. Lee, H. Q. Tserng, P. Saunier, and R. Kumar, “AlGaN/GaN HEMTs on Si substrate with 7 W/mm output power density at 10 GHz,” Electron. Lett., vol. 40, no. 16, pp. 1023–1024, Aug. 2004. [7] M. Lesecq, V. Hoel, A. Lecavelier des Etangs-Levallois, E. Pichonat, Y. Douvry, and J. C. De Jaeger, “ High Performance of AlGaN/GaN HEMTs Reported on Adhesive Flexible Tape”, IEEE Electron Device Lett., vol. 32, no. 2, pp. 143–145, Feb. 2011. [8] P. Altuntas, F. Lecourt, A. Cutivet, N. Defrance, E. Okada, M. Lesecq, S. Rennesson, A. Agboton, Y. Cordier, V. Hoel, and J.-C. De Jaeger, “Power Performance at 40 GHz of AlGaN/GaN High-Electron Mobility Transistors Grown by Molecular Beam Epitaxy on Si (111) Substrate,” IEEE Electron Device Lett, vol. 36, no. 4, pp. 303–305, Apr. 2015. [9] A. Davidson, K. Jones, and E. Strid, “LRM and LRRM Calibrations with Automatic Determination of Load Inductance,” in ARFTG Conference Digest-Fall, 36th, 1990, vol. 18, pp. 57–63. [10]L. F. Tiemeijer and R. J. Havens, “A calibrated lumpedelement de-embedding technique for on-wafer RF characterization of high-quality inductors and high-speed transistors,” IEEE Trans. Electron Devices, vol. 50, no. 3, pp. 822–829, 2003.