2025 : HEMTs ScAlN/GaN sur Si pour applications RF
HEMTs ScAlN / GaN sur Si pour applications RF
2025
Ce résultat a été obtenu dans le cadre d’une collaboration entre l’IEMN et le Centre de Recherche sur l’Hétéro-Epitaxie et ses Applications (CRHEA).
Le ScAlN, semi-conducteur à large bande interdite, est un matériau barrière prometteur pour les transistors à haute mobilité électronique (HEMT) de la prochaine génération, plus performant que l’AlGaN en raison de la possibilité d’induire un gaz électronique bidimensionnel (2DEG) avec une densité de porteurs plus élevée et une barrière plus fine, tout en maintenant un désaccord de maille plus faible par rapport au GaN. Son intégration sur des substrats de silicium permettra des applications RF à faible coût et à haute performance. Dans ce travail, une hétérostructure ScAlN/GaN avec une barrière d’épaisseur inférieure à 10 nm, est obtenue par épitaxie par jets moléculaires à la source d’ammoniac (NH3-MBE) sur substrat silicium (111). La densité de 2DEG est d’environ 1.6 x 1013 cm-2 avec une mobilité μ ∼ 621 cm2/V.s. Une densité maximale de courant de drain de 1.35 A/mm à VG=0V et une transconductance maximale de ~284 mS/mm à VG=-3.5V sont obtenues. Sur un transistor à courte longueur de grille (75 nm), une fréquence de coupure du gain de courant (fT) de 82 GHz et une fréquence d’oscillation maximale (fMAX) de 112 GHz sont obtenues. Ces résultats préliminaires démontrent le potentiel des HEMT à base de ScAlN/GaN sur des substrats de silicium à faible coût.
Reference :
[1] ScAlN/GaN-on-Si (111) HEMTs for RF applications.
S. El Whibi, N. Bhat, Y. Fouzi, N. Defrance, J-C De Jaeger, Z. Bougrioua, F. Bartoli, M. Hugues, Y. Cordier, M. Lesecq, Applied Physics Express, 2025, 18 (4), pp.046501. ⟨10.35848/1882-0786/adc5db⟩. ⟨hal-05008937⟩
2024: Non-linear modelling of a CMOS-compatible SiN/AlN/GaN MIS-HEMT on Si 200 mm operating at millimetre-wave frequencies
Non-linear modelling of a CMOS-compatible SiN/AlN/GaN MIS-HEMT on 200 mm Si operating at millimetre-wave frequencies
2024
This result was obtained as part of a collaboration between IEMN and CEA-LETI. – French Atomic Energy and Alternative Energies Commission - Electronics and Information Technology Laboratory.
The performance of a CMOS-compatible SiN/AlN/GaN MIS-HEMT on a 200 mm silicon substrate with high Ka-band power capabilities is evaluated. The devices have Ft / Fmax 80/170 GHz for a 2x50x0.15 µm topology2The devices also offer exceptional and competitive large-signal performance compared with GaN/SiC at 40 GHz. The devices have a PAE power-added efficiency of 40 % and a saturated output power (Psat) of 6.6 W/mm. To take full advantage of the capabilities of this new technology, an empirical Angelov model has been modified to accurately describe the electrical behaviour of the devices. The proposed model has been validated by comparing power measurements at 40 GHz with the simulation. It will be used to design future MMIC power amplifiers dedicated to Ka-Ku band applications.
Reference :
Nonlinear Modeling of CMOS Compatible SiN/AlN/GaN MIS-HEMT on 200mm Si Operating at mm-Wave Frequencies
Y. Fouzi, E. Morvan, Y. Gobil, F. Morisot, Etienne Okada, S. Bollaert, N. Defrance, 2024 19th European Microwave Integrated Circuits Conference (EuMIC), Sep 2024, Paris, France. pp.303-306, ⟨10.23919/EuMIC61603.2024.10732270⟩⟨hal-04765665⟩
2023 : Amélioration des performances des HEMTs AlGaN/GaN sur substrat 6H-SiC grâce à la technologie de contacts ohmiques non alliés
Amélioration des performances des HEMTs AlGaN/GaN sur substrat 6H-SiC grâce à la technologie de contacts ohmiques non alliés
2023
Ce résultat a été obtenu dans le cadre d’une collaboration entre l’IEMN, le Centre de Recherche sur l’Hétéro-Epitaxie et ses Applications (CRHEA) et le Groupe de Recherche en Matériaux, Microélectronique, Acoustique, Nanotechnologies (GREMAN).
Pour repousser les limites en fréquence des dispositifs HEMTs à base de GaN, il est essentiel de réduire la résistance RC des contacts ohmiques de source et de drain. Dans ce contexte, nous avons développé un procédé de contacts ohmiques non alliés obtenus par recroissance de GaN dopé sur des HEMTs AlGaN/GaN épitaxiés sur substrat 6H-SiC.
Les performances sont notablement améliorées par rapport à une technologie de contacts ohmiques alliés (résultats entre parenthèse donnés à titre comparatif). Une faible résistance de contact de 0,13 Ω.mm (vs 0,35 Ω.mm) est obtenue. Le dispositif avec une grille 75 nm présente une densité de courant maximale de 1,1 A/mm (vs 0.96 A/mm) à VGS = 1 V et une transconductance gm_MAX de 464 mS/mm (vs 280 mS/mm). Des fréquences fT/fMAX de 80/150 GHz (vs 70/110 GHz) sont atteintes. A VDS = 25 V, une densité de puissance de sortie de 3,8 W/mm est obtenue à 40 GHz, associée à un rendement de puissance ajoutée de 42,8 % et à un gain de puissance linéaire de 6 dB.
Les effets de piégeages (drain lag et gate lag) sont drastiquement réduits (voir tableau Fig.1).
Références :
M. Lesecq, Y. Fouzi, A. Abboud, N. Defrance, F. Vaurette, S. Ouendi, E. Okada, M. Portail, M. Bah, D. Alquier, J-C. de Jaeger, E. Frayssinet, Y. Cordier, Microelectronic Engineering, 2023, 276, pp.111998. ⟨10.1016/j.mee.2023.111998⟩. ⟨hal-04084512⟩
M. Lesecq, Y. Fouzi, A. Abboud, N. Defrance, F. Vaurette, S. Ouendi, E. Okada, M. Portail, M. Bah, D. Alquier, J.C. de Jaeger, E. Frayssinet, Y. Cordier, European Materials Research Society 2022 Fall meeting, (E-MRS 2022), Sep 2022, Warsaw, Poland, ⟨hal-04039596⟩
2022 : HEMTs AlGaN/GaN sur substrat composite 3C-SiC/Si
HEMTs AlGaN/GaN sur substrat composite 3C-SiC/Si
2022
Ce résultat a été obtenu dans le cadre d’une collaboration entre l’IEMN, le Centre de Recherche sur l’Hétéro-Epitaxie et ses Applications (CRHEA) et le Groupe de Recherche en Matériaux, Microélectronique, Acoustique, Nanotechnologies (GREMAN).
Les performances des HEMTs AlGaN/GaN sont fortement liées aux propriétés du substrat utilisé pour la croissance de l’hétérostrusture. Les technologies sur silicium présentent de bonnes performances avec un coût moins élevé que celles sur SiC mais souffrent de la difficulté à produire des couches de GaN de haute qualité cristalline. Généralement, la structure d’un HEMT AlGaN/GaN commence par la croissance d’une couche de nucléation AlN. Les paramètres de croissance de cette couche influencent fortement les pertes de propagation en raison du risque de diffusion de l’Al et/ou du Ga dans le substrat Si. L’utilisation d’une couche intermédiaire cubique (3C-SiC) comme tremplin pour la croissance d’hétérostructures HEMT AlGaN/GaN limite les risques de génération de fissures, améliore la qualité cristalline du film de GaN et limite la dégradation de la résistivité du substrat de silicium permettant de préserver de faibles pertes de propagation RF. Dans ce contexte, la croissance d’un HEMT AlGaN/GaN a été réalisée sur une couche de 3C-SiC de 0,8 µm d’épaisseur sur un substrat de silicium hautement résistif. Les pertes de propagation sont de 0,41 dB/mm à 40 GHz. Malgré une résistance de contact ohmique de 0,6 Ω.mm, une densité maximale de courant de 0,7 A/mm est obtenue à VGS =+1V pour un HEMT de longueur de grille égale à 75 nm. Un pic de transconductance supérieur à 250 mS/mm et des fréquences de fT/fmax de 60/98 GHz ont été mesurées.
Références :
[1] AlGaN/GaN High Electron Mobility Transistors Grown by MOVPE on 3C-SiC/Si(111) for RF Applications,
M. Lesecq, E. Frayssinet, M. Portail, M. Bah, N. Defrance, T-H. Ngo, M. Abou Daher, M. Zielinski, D. Alquier, J-C. de Jaeger, Y. Cordier, Materials Science Forum, 2022, 1062, pp.482-486. ⟨10.4028/p-2wi7o8⟩. ⟨hal-03741438⟩
E. Frayssinet, L. Nguyen, M. Lesecq, N. Defrance, M. Garcia Barros, R. Comyn, T. Huong Ngo, M. Zielinski, M. Portail, J-C de Jaeger, Y. Cordier, physica status solidi (a), 2020, 217 (7), pp.1900760. ⟨10.1002/pssa.201900760⟩. ⟨hal-02929058⟩
M. Lesecq, E. Frayssinet, M. Portail, M Bah, N. Defrance, T-H. Ngo, M. Abou Daher, Y. Fouzi, Y. Cordier, A. Abboud, J-C. de Jaeger, M. Zielinski, D. Alquier, International Workshop on Nitride Semi-conductors, IWN 2022, Oct 2022, Berlin, Germany, ⟨hal-04037282⟩
[4] AlGaN/GaN High Electron Mobility Transistors Grown by MOVPE on 3C-SiC/Si(111) for RF Applications
M. Lesecq, E. Frayssinet, M. Portail, M. Bah, N. Defrance, T-H. Ngo, M. Abou Daher, M. Zielinski, D. Alquier, J-C. de Jaeger, Y. Cordier, 13th European Conference on Silicon Carbide and Related Materials (ECSCRM 2020), Oct 2021, Tours, France, ⟨hal-04038119⟩
E. Frayssinet, L. Nguyen, M. Lesecq, N. Defrance, R. Comyn, M. Zielinski, M. Portail, J-C. de Jaeger, Y. Cordier, 13th International Conference on Nitride Semiconductors (ICNS 2019), Jul 2019, Washington, Seattle, United States, ⟨hal-04039430⟩
E. Frayssinet, L. Nguyen, M. Lesecq, N. Defrance, M. Garcia Barros, R. Comyn, T. Huong Ngo, M. Zielinski, M. Portail, J-C. de Jaeger, Y. Cordier, 43rd Workshop on Compound Semiconductor Devices and Integrated Circuits, WOCSDICE 2019, Jun 2019, Cabourg, France, ⟨hal-04038786⟩
2020 : Développement de détecteurs de puissance en technologie BiCMOS 55 nm pour les applications 5G
Développement de détecteurs de puissance en technologie BiCMOS 55nm pour les applications 5G
Les principaux objectifs de la 5G sont de fournir des débits de données plus élevés, une plus faible latence, une couverture sans faille, une faible consommation d’énergie et des communications plus fiables. Plusieurs gammes de fréquences d’ondes millimétriques sont utilisées dans les systèmes 5G pour la liaison descendante (jusqu’à 100 GHz), ce qui permet de fournir des débits de données plus élevés et une latence plus faible que la 4G. Cependant, une plus grande consommation d’énergie est nécessaire, d’autant plus que le fait de travailler à des fréquences élevées pose le problème de l’effet thermique. Dans ce contexte, plusieurs méthodes existent pour réduire cette consommation. La technique « enveloppe tracking » est une solution prometteuse pour augmenter l’efficacité des dispositifs 5G. Pour cette technique, plusieurs topologies de détecteurs de puissance sont proposées. Ces détecteurs sont conçus en utilisant la technologie SiGe 55-nm BiCMOS de STMicroelectronics dans la bande de fréquence 35 -55 GHz permettant de couvrir plusieurs bandes 5G.
- Conception et caractérisation d’un détecteur accordable basé sur une diode PN avec ajustement de la polarisation en courant (modèle validé jusque 110 GHz, sensibilité entre 500 et 1400 V/W pour une variation de courant entre 100 nA et 10 µA, consommation inférieure à 60 nW)
- Conception et caractérisation d’un détecteur « zero bias » (faible puissance équivalente de bruit de ).
- Conception et caractérisation d’un détecteur « zero bias » basé sur un stack de six transistors, (sensibilité de 1380 V/W mais puissance équivalente de bruit de )
- Conception et caractérisation d’un détecteur « zero bias » compensé en température en temps réel (Sensibilité entre 1400 et 1650 V/W entre 20 et 90°C à 43 GHz).
References
[1] Temperature compensated power detector towards power consumption optimization in 5G devices
I. Alaji, E. Okada, D. Gloria, G. Ducournau, C. Gaquière, Microelectronics Journal, 2022, 120, pp.105351. ⟨10.1016/j.mejo.2021.105351⟩. ⟨hal-03592954⟩
[2] Design of zero bias power detectors towards power consumption optimization in 5G devices
I. Alaji, W. Aouimeur, H. Ghanem, E. Okada, S. Lepilliet, D. Gloria, G. Ducournau, C. Gaquière, Microelectronics Journal, 2021, 111, pp.105035. ⟨10.1016/j.mejo.2021.105035⟩. ⟨hal-03542166⟩
[3] Design and characterization of (140-220) GHz frequency compensated power detector
I. Alaji, S. Lepilliet, D. Gloria, G. Ducournau, C. Gaquière, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2021, 69 (4), pp.2352-2356. ⟨10.1109/TMTT.2021.3062054⟩. ⟨hal-03390228⟩
[4] Design of tunable power detector towards 5G applications
I. Alaji, W. Aouimeur, H. Ghanem, E. Okada, S. Lepilliet, D. Gloria, G. Ducournau, C. Gaquière, Microwave and Optical Technology Letters, 2021, 63 (3), pp.823-828. ⟨10.1002/mop.32685⟩. ⟨hal-03135959⟩
[5] Modeling and analysis of a broadband Schottky diode noise source up to 325 GHz based on 55-nm SiGe BiCMOS technology
I. Alaji, W. Aouimeur, S. Lepilliet, D. Gloria, C. Gaquière, F. Danneville, G. Ducournau, H. Ghanem, J. Carlos Azevedo Goncalves, P. Chevalier, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2020, 68 (6), pp.2268-2277. ⟨10.1109/TMTT.2020.2980513⟩. ⟨hal-03141657⟩
2020 : Transfert de HEMTs AlGaN/GaN sur substrat diamant par collage AlN/AlN
Transfert de HEMTs AlGaN/GaN sur substrat diamant par collage AlN/AlN
2020
Ce résultat a été obtenu dans le cadre d’une collaboration entre l’IEMN, le Centre de Recherche sur l’Hétéro-Epitaxie et ses Applications (CRHEA) et le Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Systèmes (LAAS).
Le transfert de transistors de type HEMT sur substrat de diamant représente une opportunité pour améliorer la dissipation thermique lorsque le dispositif fonctionne à des niveaux de puissance RF élevés. Dans ce contexte, la première démonstration de HEMT AlGaN/GaN sur substrat de diamant obtenue par une technologie de transfert est présentée. Ce transfert est rendu possible par un collage à base de fines couches de nitrure d’aluminium (couches AlN obtenues par pulvérisation cathodique à basse température).
Divers dispositifs sont d’abord fabriqués par microtechnologie à partir d’une hétérostructure AlGaN/GaN épitaxiée sur un substrat de silicium (Si). Ensuite, les couches minces d’AlGaN/GaN avec les dispositifs sont libérés de leur substrat Si et transférés à 160°C sur un substrat en diamant grâce à une liaison AlN-sur-AlN (voir étapes fig. 2).
Nous constatons que les transistors présentent une légère amélioration de la densité maximale de courant continu (+14%) et de la résistance RON (-16%) après le transfert sur diamant. Le dispositif sur diamant de longueur de grille LG=80 nm délivre une densité de courant maximum de 690 mA.mm-1 à VGS = 0 V. Des fréquences fT/fMAX de 85/106 GHz sont obtenues sans dégradation après transfert sur diamant.
Références :
M. Abou Daher, M. Lesecq, N. Defrance, E. Okada, B. Boudart, Y. Guhel, J-G Tartarin, J-C de Jaeger, Microwave and Optical Technology Letters, 2021, 63 (9), pp.2376-2380. ⟨10.1002/mop.32919⟩. ⟨hal-03249292⟩
M. Abou Daher, M. Lesecq, P. Tilmant, N. Defrance, M. Rousseau, Y. Cordier, J-C. de Jaeger, J-G. Tartarin, Journal of Vacuum Science & Technology B, Nanotechnology and Microelectronics, 2020, 38 (3), p.033201. ⟨10.1116/1.5143418⟩. ⟨hal-02929037⟩
2019 : Méthodes innovantes de caractérisation et de modélisation de composants GaN dédiés à l’électronique de puissance
Méthodes innovantes de caractérisation et de modélisation de composants GaN dédiés à l’électronique de puissance
2019
Au sein de l’équipe PUISSANCE, des méthodologies innovantes de caractérisation et de modélisation de composants en nitrure de gallium (GaN) dédiés à l’électronique de puissance incluant des diodes et des transistors, ont été mises au point. Ces travaux répondent à deux défis majeurs : la montée en fréquence des composants de puissance et la difficulté de produire des modèles précis sur une large bande de fréquence. Les nouvelles techniques de caractérisation reposent sur l’utilisation de méthodes traditionnellement réservées aux composants RF, notamment la mesure en paramètres S. Pour ce faire, l’adaptation des composants de puissance a été nécessaire afin de les rendre compatibles avec les outils de mesure disponibles, tels que l’analyseur de réseau vectoriel. Cette adaptation a impliqué la création de dispositifs de caractérisation respectant l’impédance caractéristique de 50Ω. L’utilisation de dispositifs de caractérisation spécifiques a nécessité le développement de méthodes d’étalonnage précises. Cela a inclus la création de dispositifs de calibration permettant de soustraire les éléments parasites induits par les dispositifs, afin d’obtenir des mesures de paramètres S directement au niveau du plan du composant. En complément de ces développements, un banc de mesure a été mis au point pour enrichir le modèle électrique avec des données relatives aux effets thermiques et aux phénomènes de piégeage, aspects critiques dans les technologies GaN. Ces analyses sont essentielles pour garantir la précision des modèles sous diverses conditions opérationnelles. Les modèles obtenus, implémentés sous le logiciel ADS, ont ensuite permis la conception et la réalisation de convertisseurs de puissance haute fréquence. Ces convertisseurs bénéficient directement des avancées réalisées en termes de caractérisation et de modélisation, assurant des performances optimales.
Références:
[1] Extraction of packaged GaN power transistors parasitics using S-parameters
L. Pace, N. Defrance, A. Videt, N. Idir, J-C. de Jaeger, V. Avramovic, IEEE Transactions on Electron Devices, 2019, 66 (6), pp.2583-2588. ⟨10.1109/TED.2019.2909152⟩. ⟨hal-03140657⟩
[2] Investigation of Current Collapse Mechanism on AlGaN/GaN Power Diodes
Doublet, N. Defrance, E. Okada, L. Pace, T. Duquesne, E. Bouyssou, A. Yvon, N. Idir, J-C. de Jaeger, Electronics, 2023, 12 (9), pp.2007. ⟨10.3390/electronics12092007⟩. ⟨hal-04107504⟩
[3] Parasitic Loop Inductances Reduction of the PCB Layout in GaN-Based Power Converters Using S-Parameters and EM Simulations
L. Pace, N. Idir, T. Duquesne, J.C. De Jaeger
Journal Energies, Volume 14, Issue 5, 10.3390/en14051495, (March-1 2021), ⟨hal-03168976⟩.
2019 : Densité de puissance record de 2W/mm pour des transistors HEMTs AlGaN/GaN sur substrat free-standing GaN
Densité de puissance record de 2W/mm pour des transistors HEMTs AlGaN/GaN sur substrat free-standing GaN.
2019
Ce résultat a été obtenu dans le cadre d’une collaboration entre l’IEMN, le Centre de Recherche sur l’Hétéro-Epitaxie et ses Applications (CRHEA) et le Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Systèmes (LAAS).
Une performance en puissance record à 40 GHz a été obtenue sur un transistor à haute mobilité électronique (HEMT) AlGaN/GaN épitaxié sur substrat de GaN autosupporté peu disloqué (substrat de Saint-Gobain Lumilog).
Une densité de puissance de sortie de 2 W.mm-1 associée à une efficacité en puissance ajoutée de 20,5 % et à un gain en puissance linéaire (Gp) de 4,2 dB est démontrée pour un dispositif de longueur de grille de 70 nm. Le dispositif présente une densité de courant de drain DC maximale de 950 mA.mm-1 et une transconductance extrinsèque maximale (gm Max) de 300 mS.mm-1 à VDS = 6 V.
Une fréquence de coupure intrinsèque maximale fT de 100 GHz et une fréquence d’oscillation intrinsèque maximale fMax de 125 GHz sont obtenues à partir des mesures de paramètres S.
Références :
[1] 2 W / mm power density of an AlGaN/GaN HEMT grown on free-standing GaN substrate at 40 GHz
M-R. Irekti, M. Lesecq, N. Defrance, E. Okada, E. Frayssinet, Y. Cordier, J-G. Tartarin, J-C. de Jaeger, Semiconductor Science and Technology, 2019, 34 (12), pp.12LT01. ⟨10.1088/1361-6641/ab4e74⟩. ⟨hal-02929065⟩
[2] Development of AlGaN/GaN RF HEMT technology on free-standing GaN substrate
M.R. Irekti, M. Lesecq, N. Defrance, M. Boucherta, E. Frayssinet, Y. Cordier, J.G. Tartarin, J-C. de Jaeger, 43rd Workshop on Compound Semiconductor Devices and Integrated Circuits, WOCSDICE 2019, Jun 2019, Cabourg, France, ⟨hal-04039402⟩
[3] Record power density aluminium gallium nitride barrier transistors (semiconductor-today.com)
