Composants sur supports FLEXIbles de la filière GaN

FLEXIble Gallium Nitride based devices

Financement : Agence Nationale de la Recherche (ANR) en partenariat avec la Direction Générale de l’Armement (DGA)

Partenaires du projet :

• IEMN  Contact : Virginie Hoel
• CRHEA  Contact : Yvon Cordier
• 3M  Contact : Abel Ebongué

Résumé :

Depuis quelques années, nous assistons à l’essor d’une nouvelle filière d’électronique basée sur des supports conformables. 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 actifs organiques dont la faible mobilité limite considérablement les perspectives d’application de l’électronique flexible dans le domaine des radio-fréquences.
Dans ce contexte, l’objectif du projet FLEXIGaN est de développer de nouvelles approches conduisant à plusieurs filières technologiques d’électronique conformable (flexible, étirable) pour répondre aux besoins en puissance, rendement et haute fréquence de ces nouvelles applications. Le nitrure de gallium est un matériau prometteur pour atteindre ces performances. L’objectif du projet FLEXIGaN est d’obtenir d’une part des transistors GaN (HEMTs) flexibles délivrant 2W/mm en bande X et d’autre part des LEDs GaN flexibles avec une efficacité quantique externe de 5%.
FLEXIGaN est un programme prospectif dans lequel est réalisée, de manière concertée et intégrée, la convergence entre l’épitaxie, le support flexible et le procédé de fabrication.
L’originalité du projet FLEXIGaN est basée sur des innovations consistant à obtenir une épitaxie résistante aux contraintes mécaniques et un support flexible adapté aux applications de puissance en adéquation avec un procédé technologique de fabrication spécifique.
Afin d’atteindre les objectifs de montée en fréquence sur support flexible, trois stratégies technologiques seront investiguées.
La première stratégie repose sur l’intégration hétérogène des composants HEMTs et LEDs GaN fabriqués sur substrat rigides et transférés sur support flexible.
La seconde stratégie est similaire à la première, mais une étape de découpe Laser est ajoutée avant le transfert afin d’obtenir des cellules individuelles sur le substrat flexible de manière à limiter les contraintes dans l’épitaxie lors de la déformation du flexible.
La troisième stratégie ne concerne que les LED flexibles. Le process commence avec les étapes de fabrication sur substrat rigide (sur la face n puis sur la face p après une première étape de transfert de l’épitaxie) et se termine par le transfert sur substrat flexible.
Lorsque les résultats sur les premiers dispositifs le permettront, des tests de fiabilité seront réalisés afin de connaitre l’endurance des composants flexibles à des déformations répétées et aux hautes températures.

Abstract :

At the present time, the large majority of electronic devices is fabricated on rigid substrates but, in recent years, electronic devices and circuits on flexible substrates have attracted a great deal of attention and open new opportunities for a wide range of applications such as flexible radio-frequency identification tags (RFID), mobile sensors, flexible displays,… For these applications, flexible organic or inorganic devices are commonly developed. But, frequency performance as well as light emitted power of organic devices is strongly limited by the poor mobility of organic semiconductors and by the resolution of printing techniques. Our strategy to obtain flexible devices is based on high speed/high power/high performance principles. Lot of emerging applications requires high frequency performance. In our case, the target applications such as logistic tracking-preventive maintenance-objects traceability need also power and high efficiency performance. These parameters are out of reach for the existing
In this context, the activity proposed in FLEXIGaN project is a new approach in order to develop several technological options to obtain flexible electronics (bendable, stretchable), meeting the power, efficiency and high frequency of new applications. Gallium nitride is a promising material to achieve this performance. The objective of FLEXIGaN consortium is to obtain on the one hand flexible GaN-based HEMTs (High Electron Mobility Transistors) delivering 2W/mm up to X band and on the other hand GaN-based flexible LEDs (Light Emitting Diodes) with an external quantum efficiency of 5%.
FLEXIGaN project is a prospective project in which is realized in a real integrated and concerted way the convergence between the epilayer, the flexible tape and the technological process. The originality of FLEXIGaN project concerns innovation based on the nature of epitaxy withstanding the mechanical stress and the flexible tape characteristics dedicated for power applications in adequacy with adjusted processing steps.
In order to achieve the objectives of increasing frequency on flexible support, three technological strategies will be investigated.
The first strategy targets the heterogeneous integration and assembly of state-of-the-art GaN/Silicon based devices (HEMTs and LEDs) onto a flexible tape.
The second strategy is similar to the first one but a step of laser patterning is added before the transfer process in order to obtain individual cell on flexible tape and so limit stress in epimaterial during the bending.
The third strategy concerns only flexible LEDs. The process starts with the fabrication steps on rigid substrate (on n-face and then on p-face after a first layer transfer) and follows with transfer on flexible tape.
When the results of the first devices permit to do it, reliability tests will be achieved to know the endurance of flexible components to repetitive deformation and high temperature.