Jury :

• Reviewer:
  • Prof. Andrei VESCAN (Aachen University)
  • Prof. Bertrand BOUDART (University of Caen Normandy)
  Thesis Directors:
  • Dr. Farid MEDJDOUB (CNRS Researcher, HDR at IEMN)
  • Dr. Fabrice SEMOND (CNRS Research Director at CRHEA)
  Examiners:
  • Dr. Magali MORALES (Associate Professor at CIMAP-ENSICAEN)
  • Dr. Stéphanie RENNESSON (Engineer at EasyGaN)
  • Dr. Philippe FELLON (Engineer at UMS)
  • Prof. Katir ZIOUCHE (University of Lille)

Summary:

L’avènement des télécommunications 5G et au-delà exige des équipements robustes capables de fournir une densité de puissance de sortie supérieure à des fréquences élevées, en particulier dans le spectre des ondes millimétriques allant de 24 GHz à 94 GHz et au-delà. Cela nécessite des amplificateurs de puissance basés sur le nitrure de gallium (GaN) au lieu des traditionnels silicium (Si) et arséniure de gallium (GaAs) utilisés dans les générations précédentes. Le succès du GaN dans l’éclairage et son potentiel dans les microLED, l’électronique de puissance et les technologies micro-ondes, y compris les réseaux 5G, soulignent son importance. Le SiC est généralement le substrat préféré en raison de sa conductivité thermique élevée, mais il n’est pas adapté aux applications à haut volume en raison de son coût et de sa faible disponibilité. Bien que plus difficile du point de vue de la croissance, l’utilisation d’un substrat Si rentable résoudrait le problème de l’équilibre performance/fiabilité/coût. Habituellement, des couches tampons épaisses (plusieurs µm) sont utilisées pour minimiser la densité des défauts de croissance/dislocations en raison de l’important décalage de réseau entre le GaN et le substrat Si. Cependant, les couches tampons épaisses dégradent la dissipation thermique et augmentent le coût de l’épi-wafer. Par conséquent, le défi réside dans l’hétéro-intégration de couches minces à base de nitrure avec des substrats de Si en raison de la complexité de la croissance et de l’inadéquation du réseau des matériaux. Malgré deux décennies de recherche, la production en masse de composants RF GaN-sur-Si reste difficile à réaliser. Pour y remédier, une nouvelle approche utilisant l’épitaxie par jets moléculaires (MBE) sur des substrats en Si est proposée, visant le marché de la 5G. Cette collaboration industrielle de doctorat entre le laboratoire IEMN et EasyGaN vise à développer la technologie GaN submicronique sur Si pour des applications à haute fréquence jusqu’à la bande W. Le projet se concentre sur la création d’une technologie robuste pour la fabrication de composants RF sur Si. Le projet se concentre sur la création d’une technologie robuste avec des performances supérieures tout en atténuant les effets thermiques et de piégeage. La thèse rappelle les principes fondamentaux des HEMT à base de GaN pour les applications à ondes millimétriques, en mettant l’accent sur les techniques de croissance et l’optimisation des dispositifs. Les méthodologies de fabrication et de caractérisation des dispositifs, y compris les tests à haute fréquence jusqu’à 40 GHz, sont détaillées. Les efforts d’optimisation portent notamment sur les couches tampons et les barrières, l’accent étant mis sur l’amélioration du gain de puissance et des performances des transistors. Dans ce travail, le développement d’une épaisseur totale de tampon inférieure à 650 nm avec des couches étagées riches en Al sur un substrat de Si permet une combinaison unique de faibles effets de piégeage d’électrons, de faibles courants de fuite et d’une extrême robustesse sous un champ électrique élevé. En outre, l’utilisation d’une barrière d’AlN ultramince combinée à ce tampon innovant a permis un gain de puissance élevé en ondes millimétriques. Ceci, à son tour, permet un excellent fonctionnement de polarisation de classe AB à 40 GHz (jusqu’à VDS = 30 V) pour des longueurs de grille de 140 nm, promettant une fiabilité RF et des HEMT AlN/GaN-sur-Si ultraminces potentiellement stables en fonctionnement à haute puissance. Enfin, une technique de gestion thermique est introduite pour améliorer les performances RF. Ces projets représentent une étape cruciale vers la réalisation d’une technologie GaN-sur-Si rentable, essentielle pour faire progresser les futurs composants électroniques dans les applications de télécommunications.

Abstract:

The advent of 5G and beyond telecommunications demands robust equipment capable of delivering superior output power density at high frequencies, particularly within the millimeter-wave spectrum ranging from 24 GHz to 94 GHz and beyond. This requires power amplifiers based on Gallium Nitride (GaN) instead of traditional Silicon (Si) and Gallium Arsenide (GaAs) employed in previous generations. GaN success in lighting and its potential in microLEDs, power electronics, and microwave technologies, including 5G networks, emphasizes its significance. SiC is generally the preferred substrate due to its high thermal conductivity, however not suitable for high volume applications because of the cost and low availability. Although more challenging from growth point of view, the use of cost effective Si substrate would solve the performance / reliability / cost balance. Usually, thick buffer layers (several µm) are used to minimize growth defect/dislocation density due to the large lattice mismatch between GaN and the Si substrate. However, thick buffer layers degrade the thermal dissipation and increase the epi-wafer cost. Therefore, the challenge lies in the hetero-integration of thin Nitride-based layers with Si substrates due to the growth complexity and material lattice mismatch. Despite two decades of research, mass-production of GaN-on-Si RF components remains elusive. To address this, a novel approach utilizing molecular beam epitaxy (MBE) on Si substrates is proposed, targeting the 5G market. This industrial Ph.D. collaboration between IEMN laboratory and EasyGaN aims to develop submicron GaN technology on Si for high-frequency applications up to W-band. The project focuses on creating a robust technology with superior performance while mitigating thermal and trapping effects. The thesis reminds the fundamentals of GaN-based HEMT for millimeter-wave applications, emphasizing growth techniques and device optimization. Methodologies for device fabrication and characterization, including high-frequency tests up to 40 GHz, are detailed. Optimization efforts include buffer and barrier layers, with a focus on enhancing power gain and transistor performance. In this work, the development of a total buffer thickness below 650 nm with Al-rich step-graded layers on Si substrate enables a unique combination of low electron trapping effects, low leakage current and extreme robustness under high electric field. Furthermore, the use of ultrathin AlN barrier combined with this innovative buffer allowed for high millimeter-wave power gain. This, in turn, enables excellent class AB bias operation at 40 GHz (up to VDS = 30 V) for 140 nm gate lengths, promising RF reliability and potentially stable ultrathin AlN/GaN-on-Si HEMTs under high-power operation. Finally, a thermal management technique is introduced to enhance RF performances. These projects signify a crucial step towards realizing cost-effective GaN-on-Si technology, pivotal for advancing future electronic components in telecommunications applications.