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.