Vers des transistors de puissance à haut rendement en gamme d’ondes millimétriques

La demande croissante en bande passante et en vitesse de transmission des données pour les futures applications tels que les réseaux 5G, les communications satellites ou les radars nécessitent de fabriquer des composants délivrant des performances accrues en gamme d’onde millimétrique. Les circuits intégrés à base de silicium sont limités à des puissances de sortie de l’ordre de quelques watts jusqu’en bande Ka (26-40 GHz). Associé à un substrat carbure de silicium (SiC) à haute conductivité thermique, le nitrure de gallium (GaN) apporte aux applications de puissance des avantages considérables tels qu’une tenue en tension de 5 à 10 fois supérieure aux semi-conducteurs traditionnels, à base de silicium ou d’arséniure de gallium, ainsi qu’une meilleure dissipation thermique. Néanmoins, les principales limitations de cette filière sont le rendement en puissance ajoutée (PAE) qui définit l’efficacité énergétique des amplificateurs, la maîtrise des effets de pièges primordiale dans les applications RADAR, ainsi que la fiabilité des transistors à dimensions réduites (grilles ultra-courtes sub-150 nm).

Des chercheurs de l’IEMN en collaboration avec la société SOITEC-Belgium ont développé une approche offrant la possibilité de réduire les dimensions des transistors GaN tout en exploitant pleinement le potentiel de ce matériau émergent. Ces travaux ont été soutenus par le réseau Renatech, l’Agence de Défense Européenne (projet EUGANIC) et la DGA/AID (ministère des armées). Les soutiens de ces partenaires ont permis l’acquisition d’un amplificateur de puissance bande étroite (40 GHz) onéreux délivrant de forte puissance (> 10 W) ainsi que les éléments associés (connecteurs, coupleurs, générateurs pulsés etc.). Les fonctionnalités de ce banc de puissance NVNA à l’IEMN sur cette bande de fréquence (i.e. mesures de type load pull actif de forte puissance en régime pulsé et CW) confère à l’IEMN un statut quasiment unique en Europe.

Dans ce cadre, une hétérostructure spécifique a été développée afin de surmonter les verrous technologiques en termes de fiabilité, d’effets de pièges exacerbés et d’efficacité pour des transistors GaN à grille de 100 nm fonctionnant à des tensions supérieures à 15 V. Cette solution est basée sur l’implémentation d’une couche de barrière ultramince en AlN. Cette couche d’épaisseur inférieure à 5 nm est favorable à la montée en fréquence tout en délivrant une densité d’électrons élevée. Une couche en SiN dont la croissance est réalisée in-situ recouvre la barrière. Elle permet non seulement d’accroître la robustesse de la surface sous fort champ électrique et/ou température mais aussi de réduire fortement les effets de pièges. Enfin, les couches tampons ont été conçues de manière à favoriser la dissipation thermique. La combinaison de ces éléments associés à un procédé de fabrication optimisé a permis de démontrer des rendements sans précédent de plus de 70 % à 40 GHz sous forte densité de puissance (> 5 W/mm). On peut également noter l’absence de dégradation lors de mesures préliminaires de fiabilité sur quelques dizaines d’heures à différentes températures. Ces résultats ouvrent donc la voie à une nouvelle gamme de composants de puissance en ondes millimétriques. Ils présentent un réel potentiel pour des applications dans le domaine des communications terrestres et par satellites tel que le domaine de la 5G avec, par exemple, une couverture optimale des zones rurales.