IEMN and EpiGaN : a record combination of specific on-resistance and breakdown voltage

Institute of Electronic, Microelectronic and Nanotechnology (IEMN) in France and EpiGaN nv in Belgium have claimed a record combination of specific on-resistance and breakdown voltage for a double heterostructure field-effect transistor (DHFET) using a gallium nitride (GaN) channel and aluminium nitride (AlN) barrier on silicon (Si) substrate [Nicolas Herbecq et al, Appl. Phys. Express, vol7, p034103, 2014].

The team tackled leakage problems from substrate conduction by locally removing silicon from beneath critical parts of the device to achieve a breakdown voltage of 1.9kV with a specific on-resistance of 1.6mΩ-cm2.

The epitaxial nitride semiconductor layers for the transistor (Figure 1) were grown by metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) on 4-inch silicon (111) substrates. The 3nm silicon nitride (SiN) layer produced in-situ in the MOCVD reaction chamber provided early passivation and also prevented strain relaxation and increased surface robustness.

 

Schematic of AlN/GaN/AlGaN DHFET with local substrate removal.

The use of an AlN barrier gave a high electron carrier density of 2.3×1013/cm2 with mobility 990cm2/V-s. The sheet resistance was 280Ω/square. The device included an AlGaN back-barrier/buffer to further improve breakdown performance by reducing leakage.

The transistor fabrication began with titanium/aluminium/nickel/gold ohmic contact formation on the AlN layer after etching through the cap layer. The contact metals were annealed at 875°C. The devices were isolated with nitrogen implantation.

Fabrication continued with plasma-enhance chemical vapor deposition (PECVD) of 50nm SiN. The gate was formed by etching through the SiN to the AlN layer with a low-damage low-power sulfur hexafluoride (SF6) plasma and then depositing nickel/gold as the gate metal. The gate was 1.5μm long and 50μm wide. The gate-source spacing was 1.5μm. The distance between the gate and drain electrodes varied from 2μm up to 15μm. The gate was extended 0.75μm in the drain direction to create a field-plate.

The backside processing involved thinning and polishing the Si substrate down to 230μm, followed by local deep reactive-ion etch to the AlGaN buffer layer using the ‘Bosch process’ on a Surface Technology Systems tool. The Bosch technique involves a sequence of passivation and etch steps, which results in reproducible vertical walls and allows high aspect ratios to be achieved.

The local etch removed material around the drain contact. One potential drawback of the removal of material is degradation of thermal dissipation. The trenches were 20μm wide, extending over the gate-drain region.

The DC performance of the devices with local backside etching did show reduced performance in terms of maximum drain current and peak transconductance. In devices with 15μm gate-drain spacing, the maximum drain current without local Si removal was 0.7A/mm. This was reduced 28% to 0.5A/mm with Si removal. These values corresponded to specific on-resistances of 1.3mΩ-cm2 and 1.6mΩ-cm2 for the devices without and with Si removal, respectively. The researchers attributed the difference to self-heating effects due to inadequate thermal dissipation with local Si removal. High temperature reduces channel mobility in GaN-based devices.

Both devices had a low off-state current less than 10μA/mm, despite the lack of gate insulation.

Benchmarking of specific on-resistance versus breakdown voltage of GaN-on-Si transistors rated above 1kV.

Three-terminal breakdown voltage measurements were carried out in a ‘deep pinch-off’ state with the gate at -5V. The breakdown current of 1mA/mm was used. The breakdown voltage for both types of device increased linearly with gate-drain distances up to 8μm. Beyond 8μm, the breakdown for devices without substrate removal saturated at around 750V. The limitation is attributed to the electric field reaching down through the thin buffer (~1.8μm) and effecting conduction through the substrate.

With local substrate removal, the breakdown voltage continued to increase linearly to 1.9kV with a gate-drain distance of 15μm. The device compares well with ‘state-of-the-art’ in terms of high breakdown voltage and low specific on-resistance.

The researchers believe the technique could be used to extend the gate-drain spacing to ~30μm, allowing 3kV blocking to be reached with less than 5mΩ-cm2 specific on-resistance. Gate insulation would reduce leakage further. The team also suggests that a thick dielectric trench fill with, for example, AlN, could reduce self-heating effects.

Visit: http://iopscience.iop.org/1882-0786/7/3/034103/article

The author Mike Cooke is a freelance technology journalist who has worked in the semiconductor and advanced technology sectors since 1997 (Ref : Semiconductor Today)

 

 

 

Conférence – Contrôle de la propagation des ondes par les cristaux phononiques

Par Charles CROENNE (groupe Acoustique)
19/02/2014 à 14h00 – Amphi. LCI

La présentation portera sur des travaux post-doctoraux réalisés à l’Université du Manitoba (Canada) puis à la City University of Hong Kong, dans le domaine du contrôle de la propagation des ondes par les cristaux phononiques. La première partie concernera l’étude de la dispersion anormale induite par la superposition de gaps de Bragg et d’hybridation dans un cristal phononique, alors que la seconde partie traitera de l’intégration de cristaux phononiques dans un modulateur acousto-optique.

Séminaire COMSOL Multiphysics

Modélisation avec COMSOL Multiphysics version  4.4 – 8 avril 2014

Découvrez les capacités de simulation numérique de COMSOL Multiphysics version  4.4 (logiciel de simulation numérique basé sur la méthode des éléments finis) lors d’un séminaire-atelier gratuit proposé à l’IEMN, au Laboratoire Central, le mardi 8 avril 2014.

Ce logiciel permet de simuler de nombreuses physiques et applications en ingénierie, et tout particulièrement les phénomènes couplés ou simulation multi-physiques : www.comsol.fr

Rendez-vous à partir de 9h30 – Amphi CERLA – Bât. P5 – USTL

Détails et inscription sur: www.comsol.fr/events/mmw/29033/

Programme de la formation :

09h30 – 10h30 / Introduction à COMSOL Multiphysics
10h30 – 12h30 / Atelier sur ordinateur: prise en main du logiciel

Chaque participant recevra une version d’évaluation de COMSOL Multiphysics.
Attention, le nombre de places est limité !

 

PANAMA – Innovation Award 2013

Le projet de recherche PANAMA
reçoit le prix CATRENE innovation award 2013
à l’occasion du European Nanoelectronics Forum

Ce prix de l’innovation constitue une reconnaissance de l’Union européenne au plus haut niveau dans le domaine de la micro et la nanoélectronique. Panama a été retenu comme le plus innovant des 40 projets sélectionnés dans le programme Catrene, programme européen qui finance la coopération entre instituts de recherche, industriels des semi-conducteurs et entreprises utilisatrices.

Les applications visées par le projet sont les communications mobiles (3G/4G), les transmissions satellites, les applications avioniques et les réseaux domestiques.

Projet CATRENE PANAMA

Le projet PANAMA proposait des innovations dans les systèmes de transmission et amplificateurs de puissance afin d’améliorer leurs performances et leur rendement. Différents types de systèmes ont été étudiés (intégrés, discrets et distribués) pour les applications suivantes: téléphones cellulaires 3/4G, stations de base pour téléphonie cellulaire 3/4G, avionique, communication par Satellite et réseau domestique. Le projet a suivi une approche « top-down » afin de permettre l’évaluation des avancées de PANAMA au niveau système de transmission complet.

L’objectif principal était le gain en rendement pour chaque application:

  • 20% pour les systèmes intégrés
  • 30% pour les systèmes discrets
  • 10% pour les systèmes distribués

Au-delà de la réalisation de ces systèmes, PANAMA devait s’appuyer sur le développement d’outils innovants pour la caractérisation, la modélisation et la simulation. Pour atteindre ces objectifs d’innovation, le projet PANAMA a rassemblé des partenaires importants des secteurs du semi-conducteur, des outils de CAO, du monde académique en provenance de France, Belgique, Pays-Bas et Espagne. Leur collaboration s’est effectuée au travers du but commun qui consistait à améliorer le rendement des chaines RF de transmission, une approche système et des architectures communes et enfin des outils communs de simulation, mesures et caractérisation. Les partenaires se sont regroupés autour de partenaires moteurs dans leur domaine d’application ainsi que l’indique la figure suivante.


Le projet PANAMA était composé de 4 sous-projets techniques en lien direct avec les innovations visées et de 2 sous-projets de gestion et dissémination. Il était géré par NXP Semiconductors France qui assurait également la coordination France. STF a pris la responsabilité du SP1, Thales celle du SP2 et du SP5. Le SP3 était géré par OMP et le SP4 par Agilent.

L’IEMN a participé aux caractérisations et design d’un certain nombre d’amplificateurs de puissance. Les réalisations émanant de ce consortium ont permis des gains en rendement en puissance ajoutée notables et cela pour des gammes de fréquences très différentes comme l’illustrent les figures ci dessous.

– Amélioration du rendement du PA Doherty PA pour Station de Base, 20% typique en utilisant du GaN, avec augmentation de la bande passante afin de supporter les systèmes de nouvelle generation
– 2 nouvelles architectures d’ADC ont été conçues (1 brevet déposé)
– Achitecture LINC innovantes avec combineur de Chiriex, PAE de environ 82% obtenue. Etude d’algorithmes de prédistorsion
– Concept innovant d’antenne à pointage vers le bas permettant de mieux cibler l’utilisateur et donc de diminuer la puissance émise

Le graphique ci-dessous présente les publications, communications et brevets réalisés lors de ce projet de trois ans.

Plublications :
– Poursuite du haut niveau de publications
– Nombre important de publications communes

Invention Disclosures:

– STF (1), LETI (2), STEB (3), NXP (7), ITP (1), KUL (2), Agilent (1)
– Agilent (1) pending IDs

Quelques résultats

– 2 PAs GaN en bande L réalisés en utilisant de nouveaux modèles MHV, qui sont à l’état de l’art :
_____. Un PA 10W avec une PAE>60%
_____. Un PA 100V avec une PAE>50%
– Une nouvelle méthodologie de conception a été appliquée à 2 PAs permettant un bon accord avec les mesures
– Un gain en rendement de 40% en utilisant l’Envelope Tracking (ET), DPD plus ET permettront d’obtenir de meilleurs résultats
– Plusieurs PAs réalisés en bandes X et S utilisant de nouvelles classes d’opération, ayant entre 40% et 50% de PAE. Ces PAs sont disponibles au catalogue MACOM

 

En savoir + sur le projet PANAMA

 

Seminar – Pr. Farzaneh Arefi-Khonsari – 31/01/2014

Pr. Farzaneh Arefi-Khonsari
Laboratoire Interfaces et Systèmes Electrochimiques LISE (UMR 8235, ParisTech).

« Elaboration des biomatériaux par les procédés plasmas »

She is currently a full professor in Chemical Engineering at the University of Pierre & Marie Curie and has been working in the field of plasma chemistry and plasma processing of polymers and plasma assisted CVD, mainly in the scope of bio-applications.

Excelsior / Anritsu Seminar

EXCELSIOR SEMINAR : 14/02/2014 – IEMN – Laboratoire Central – Villeneuve d’Ascq

Venez découvrir la puissance des nouveaux analyseurs de réseau vectoriel et leurs nouvelles applications

Des présentations techniques se dérouleront dans l’amphithéâtre et des travaux pratiques seront prévus sur les équipements Anritsu dans la salle Pierre Armand.

Séminaire gratuit, UNIQUEMENT sur inscription :
http://www.anritsu.com/en-GB/Promotions/Vstar-rshow/registration-fr.aspx

 

 

Information and exchange day

SME: IEMN helps you for your innovation projects!                     

March, 20 th 2014 From 10 AM to 16:30 PM at Villeneuve d’Ascq

SME: Come to discover what nanotechnologies is all about and how IEMN can bring you competitive advantages for your products and market segment.

The Nano Regions Alliance (Nanora) provides market entrance for nano technology SMEs through a transnational linking of regional support schemes, the development of new, transnational support structures and the set-up of transnational competence pools.
The Basic Technological Research (RTB) program was launched in 2003. It is a national network of large technological facilities in micro and nanotechnologies. Thanks to the French National Research Agency, this network is composed of clean-rooms with equipments and knowledge at the best international level.
These networks are available for anybody from any country who needs to realize micro and nano objects.
We invite you to an information and exchange day about the access possibilities to these equipments.

Discover our process capabilities of the clean-room facilities
Meet R&D experts from research lab, start-up and SMEs, …
Exchange about the faisability of your technical projects
Initiate a scientific or technological collaboration

 

NANORA Agenda – 20th March 2014• 10h00 : Getting together coffee time
• 10h30 : IEMN Presentation
(RTB, Renatech and Nanora)
• 11h15 : 2 Présentations of IEMN works
• 12h10 : Presentation of a collaboration with an industrial
« A start-up company shares its experience »
• 12h30 / 13h30 : Buffet lunch
• 13h30 : Visit of the Nano lab (one hour per group maxi)
• 14h30 : Meeting with project managers
• 16h00-16h30 : Conclusion

 

Free Registration
• Please send your registration before 07th March 2014 at this adress: iemn-openday@univ-lille1.fr
Please indicate:
– Name, Surname, Organization, Address
– Domain/Thematic of interest
– Participation: Lunch (yes/no), Micro/Nano lab (yes/no)

 

Contact Websites
• Contact: plateforme@iemn.univ-lille1.fr
• IEMN – www.iemn.univ-lille1.fr
• NANORA – www.nanora.eu
• RENATECH – www.renatech.org

 

 

« MEMS and NEMS processing advances » Workshop



« MEMS and NEMS processing advances » Workshop

IEMN, Lille, France on 8th April 2014
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An interactive, one day technical seminar focused on practical applications, techniques and advances.
This technical workshop is being hosted in conjunction with the Institute of Electronics Micro-electronics and Nanotechnology (IEMN) in Lille. This event is aimed at all those scientists working in research and manufacturing with an interest in MEMS and NEMS, and is designed to inform participants of latest technologies and trends in these hot industry research topics.Talks will include topics such as:

  • MEMS – how to make the nanoworld smaller
  • Nanoscale etch
  • MEMS research applications and results – IEMN
  • Looking towards the next generation of MEMS devices – Yole
  • ALD for MEMS – Eindhoven University
  • ALD research and results – Guest speaker

The workshop is free of charge however advance booking is essential.

Visite du Comité AERES

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Visite du comité AERES

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L’IEMN a reçu du 14 au 16 janvier dernier la visite du comité d’évaluation AERES pour la période 2008-2013.

Un programme chargé sur trois jours attendait les experts sous la houlette de monsieur Olivier BONNAUD. Après une première journée consacrée à une présentation du bilan et des projets de la structure, la deuxième journée fut la journée des vingt et bientôt vingt-et-un groupes de recherche de notre unité. La troisième fut celle de la découverte des plateformes technologiques dont le comité a pu apprécier la qualité des services rendus aux corps scientifiques et les capacités d’innovation. Enfin, la rencontre avec les différentes tutelles et partenaires ainsi que les différentes catégories de personnels fut très appréciée par les membres du comité qui ont pu déceler sans ambigüité une motivation sans faille.

Prochain rendez-vous dans quelques semaines avec la communication du rapport.

 

 

Seminar Dr. Gunther Roelkens 23/01/2014

« Heterogeneous silicon photonic integrated circuits for spectroscopic sensing and optical communication »

Gunther Roelkens received the PhD degree in engineering (photonics) at Ghent University, Belgium in 2007. He has been a research professor at Ghent University since 2010 working in the field of silicon photonics, more specifically mid-infrared silicon photonic integrated circuits, silicon nonlinear optics and III-V semiconductor integration on silicon photonic integrated circuits. He is also assistant professor at Eindhoven University of Technology, the Netherlands. The research highlights of his group are the first fully integrated short-wave infrared spectrometer chip, record nonlinear parametric gain on a silicon chip and high efficiency multi-wavelength lasers integrated on silicon waveguide circuits. Dr. Roelkens has authored and co-authored over 100 refereed journal publications

In this talk I will review our work on silicon photonic integrated circuits and the integration of other materials on top of the silicon waveguide circuits for applications in mid-infrared spectroscopic sensing and for telecom / datacom applications. This includes the integration of III-V semiconductors, colloidal nanoparticles and non-reciprocal materials on top of silicon-based waveguide circuits. The use of integrated nonlinear optical functionalities is also discussed.