Design and fabrication of advanced normally-off AlGaN/GaN HEMTs power switches
Conception et réalisation d'interrupteurs de puissance avancés HEMTs AlGaN/GaN normally-off
Résumé
Energy management is one of the biggest challenges facing our society in the 21st century. In this context, it is essential to design new semiconductor power switches to ensure better management of electrical energy. Wide bandgap materials such as GaN are ideal candidates for meeting this new challenge. The current major disadvantage of conventional Gallium Nitride (GaN) High Electron Mobility Transistors (HEMTs) is that they are blocked at negative voltages(normally-on device). However, most power applications require the use of normally-off switches. Several normally-off GaN HEMT architectures have been proposed in the literature (partial or total recess gate, P-GaN gate, cascode combining a GaN HEMT and a Si MOS transistor, etc.), but each of these solutions has drawbacks in terms of both technology and performance. The aim of our work is to explore a new way of obtaining normally-off AlGaN/GaN HEMT switches. The general idea is based on the operating principle of a JFET in which the width of the N conduction region is so narrow that the depletion Space Charge Regions (SCRs) of the PN junctions naturally come together to ensure total depletion of the N-type region. Since the development of space charge regions at thermodynamic equilibrium is low, the design of grids must necessarily involve nano-structuring. The HEMT gate developed therefore consists of a succession of P-type GaN 'wells' whose depth must cross the 2DEG channel and the spacing between two wells must allow the space charge zones to overlap naturally. After reviewing the state of the art in AlGaN normally-off HEMT structures, we first carried out physical finite-element simulations using SENTAURUS TCAD, in 2D and 3D, to define the best gate structure for achieving the desired normally-off functionality. We optimised the geometric and technological parameters of the P-GaN wells (depth, width, spacing and P-doping of the GaN) as well as the aluminium content of the AlGaN layer. Based on the results obtained, we simulated the entire HEMT structure, enabling us to validate this new concept. We then developed and optimised the various critical technological steps required to achieve the nano-structuring of the gate, namely: electron lithography of the HSQ resin to produce P-GaN wells with nanometric dimensions, plasma etching of the wells and filling them with GaN doped with magnesium by localised molecular beam epitaxy. We then describe the complete manufacturing process for the nano-structured P-GaN HEMT. Finally, we present the various physical and electrical characterisations of the resulting HEMT structure.
La gestion de l'énergie constitue l'un des plus importants défis que notre société va devoir relever au cours du XXIe siècle. Dans ce contexte, il est indispensable de concevoir de nouveaux interrupteurs de puissance à semi-conducteurs afin d'assurer une meilleure gestion de l'énergie électrique. Les matériaux à large bande interdite tels que le GaN sont les candidats adéquats pour répondre à ce nouveau défi. L'inconvénient actuel et majeur des transistors à haute mobilité (High Electron Mobility Transistor - HEMT -) en Nitrure de Gallium (GaN) conventionnels est que leur blocage se fait à des tensions négatives ; c'est ce que l'on appelle un composant normally-on ("normalement fermé"). Or, la plupart des applications de puissance requièrent l'utilisation d'interrupteurs normally-off ("normalement ouverts"). Plusieurs architectures de HEMT en GaN normally-off ont été proposées dans la littérature (" recess gate " partiel ou total, grille P-GaN, cascode associant un HEMT en GaN et un transistor MOS en Si, etc...) mais chacune de ces solutions présente des inconvénients aussi bien technologiques qu'en termes de performances. Nos travaux se proposent d'explorer une nouvelle voie pour obtenir des interrupteurs HEMT AlGaN/GaN normally-off. L'idée générale repose sur le principe de fonctionnement d'un JFET dans lequel la largeur de la région de conduction N serait tellement étroite que les Zones de Charge d'Espace (ZCE) de déplétion des jonctions PN se rejoignent naturellement de manière à assurer la déplétion totale de la zone de type N. Le développement des zones de charge d'espace à l'équilibre thermodynamique étant faible, la conception des grilles doit obligatoirement passer par une nano-structuration. La grille du HEMT développée est donc constituée d'une succession de caissons ou "puits" GaN de type P dont la profondeur doit traverser le canal 2DEG et l'espacement entre deux puits permettre le recouvrement naturel des zones de charge d'espace. Après avoir dressé un état de l'art des structures HEMT AlGaN normally-off, nous avons dans un premier temps effectué des simulations physiques à éléments finis à l'aide de SENTAURUS TCAD, en 2D et 3D, afin de définir la meilleure structure de grille permettant d'obtenir la fonctionnalité normally-off désirée. Nous avons ainsi optimisé les paramètres géométriques et technologiques des caissons P-GaN (profondeur, largeur, espacement et dopage P du GaN) ainsi que le taux d'aluminium de la couche d'AlGaN. A partir des résultats obtenus, nous avons simulé la structure HEMT dans sa globalité et nous avons ainsi pu valider ce nouveau concept. Nous avons ensuite développé et optimisé les différentes étapes technologiques critiques permettant d'obtenir la nano-structuration de la grille à savoir : la lithographie électronique de la résine HSQ afin de réaliser des caissons P-GaN à des dimensions nanométriques, la gravure plasma des puits et leur remplissage avec du GaN dopé Magnésium par épitaxie localisée par jets moléculaires. Nous décrivons par la suite le procédé de fabrication complet du HEMT à grille P-GaN nano-structurée. Nous présentons enfin les différentes caractérisations physiques et électriques de la structure HEMT ainsi réalisée.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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