Dans les bandes millimétriques (bande W : 75–110 GHz ; Bande E : 60–90 GHz), les chiffres de mérite de fréquence (ft et fmₐₓ) des HEMT basés sur GaN dépendent de manière critique du rapport d’image entre la longueur de la porte (Lg) et la distance de la porte à la chaîne (dge). À mesure que la Lg est réduite à des dimensions submicroniques voire de cent nanomètres, la suppression des effets de canal court nécessite une réduction simultanée de la dge, ce qui nécessite une structure à barrière ultrafine.
Les hétérojonctions AlGaN/GaN conventionnelles font face à des limitations physiques intrinsèques dans ce scénario : lorsque l’épaisseur de la barrière descend en dessous de 10 nm, la densité de feuilles de gaz d’électrons bidimensionnelles induite par la polarisation métal-piézoélectrique (2DEG) se décroît exponentiellement, entraînant une dégradation sévère de la conductance du canal. En revanche, les alliages ternaires InAlN avec une composition In d’environ 17 % à 18 % sont adaptés en réseau au GaN, et leurs polarisations spontanées et piézoélectriques sont significativement plus fortes que celles de l’AlGaN de même épaisseur. Cette propriété unique permet aux hétérojonctions HEMT InAlN/GaN de maintenir une densité élevée de 2DEG (>10¹³cm⁻²) même avec une barrière ultrafine de 5–6 nm, offrant une plateforme matérielle idéale pour surmonter le goulot d’étranglement d’échelle des dispositifs à ondes millimétriques.
Power Wafertech Group a développé une plaquette épitaxiale à hétérojonction InAlN/GaN sur des substrats en silicium (Si), saphir et carbure de silicium (SiC) en utilisant la technologie de dépôt chimique en phase vapeur métal-organique (MOCVD). Nous supportons des conceptions personnalisées, allant des compositions en réseau à formules à forte teneur, adaptées à différents scénarios d’application en fréquence et puissance. Prenons la structure épitaxiale InAlN/GaN HEMT basée sur le saphir comme exemple concret :
1. Spécifications épitaxiales InAlN/GaN HEMT basées sur le saphir
| Couche Epi | Matériel | Épaisseur |
|---|---|---|
| Couche de capuchons | GaN | * |
| Couche barrière | InAlN | * |
| Couche d’interface | AlN | 1,1 nm |
| Chaîne | GaN | * |
| Tampon | * | * |
| Substrat | Saphir | – |
Comparé à une barrière AlGaN de même épaisseur, la tranche InAlN/GaN présente une augmentation supérieure de la densité de charge du canal sous la même distance de contrôle de la porte, ce qui se traduit directement par une transconductance améliorée et un potentiel de fréquence de coupure.
2. Suppression de la séparation de phase et ingénierie des déformations dans l’épitaxie InAlN
La croissance d’InAlN dans les MOCVD fait face à des limitations thermodynamiques de la miscibilité à l’écart, avec une tendance intrinsèque à la séparation de phase dans les régions riches en In-(xIn> 0,5). Pour éviter les précipitations de phase secondaire et assurer l’intégrité structurelle de la couche barrière, nous avons intégré les mesures principales suivantes dans notre schéma de procédé :
(1) Contrôle couplé de la température de croissance et des flux sources : En fixant précisément la fenêtre de température de croissance (~706°C) et le rapport de flux molaire TMIn/TMAl, la composition In est verrouillée dans la plage de réseau adaptée, évitant thermodynamiquement la région instable de la miscibilité et de l’écart. Aucun pic de diffraction en phase secondaire n’est observé dans les courbes de balancement XRD (0002), confirmant l’épitaxie monophasée.
(2) Ingénierie de l’orientation des substrats : Nous avons vérifié les effets des substrats saphir sur axe et hors axe de 4° hors axe. Les substrats sur axe sont favorables pour réduire la densité globale de dislocations de filetage, tandis que les substrats hors axe peuvent supprimer la formation de monticules sur les surfaces N-polaires.
(3) Intégration de couche passivation in situ Si₃N₄ : Une couche diélectrique in situ optionnelle Si₃N₄ d’une épaisseur d’environ 5 nm peut être intégrée. Cette fine couche peut servir soit de diélectrique de porte MIS, soit de couche de passivation de surface, immobilisant efficacement les états de surface et réduisant les pertes RF. En raison de son épaisseur très fine, cette couche diélectrique peut être retirée par gravure sèche sélective ou directement pénétrée pour la formation de contacts ohmiques, ce qui la rend compatible avec diverses méthodes de fabrication par les clients.
3. Vérification des performances au niveau de l’appareil des HEMT InAlN/GaN
Sakharova et al. (2018) ont fabriqué des dispositifs HEMT (Lg = 0,5μm, Wg = 200μm, espacement source-drain = 4μm) basés sur des épilâches InAlN/AlN/GaN. Les résultats des tests I-V pulsés (largeur d’impulsion 250 ns) et DC sont les suivants :
Courant de drain saturé maximal (Id,max) : ≥1,27A/mm
Transconductance maximale (gm, max) : ≥450 mS/mm
Uniformité de la tension seuil : écart-type à l’intérieur de la tranche de Vth
Les tests RF à petit signal (Vds = 15–20V, Id = 0,1A/mm) montrent que, comparé aux échantillons de référence AlGaN de la même structure, le fmax des échantillons InAlN/GaN augmente significativement avec l’introduction de la composition In (In composition). Cet avantage de performance est attribué à l’amélioration du rapport d’aspect de la porte et à un confinement de canal plus fort sous la barrière ultrafine. De plus, la version MIS-HEMT avec diélectrique de grille Si₃N₄ in situ offre un décalage positif supplémentaire de 3 à 4V en tension seuil, offrant une flexibilité pour la conception de dispositifs en mode d’amélioration.
Notre entreprise propose des capacités d’alimentation épitaxiale allant de petits lots à l’échelle R&D aux lots d’ingénierie à l’échelle de production, avec des ajustements flexibles des paramètres basés sur la bande de fréquence cible et le niveau de puissance des appareils clients. Pour des solutions épitaxiales personnalisées, veuillez contacter notre équipe technique commerciale.
Références :
1. Hasenöhrl, S., Blaho, M., Dobročka, E., Gucmann, F., Kučera, M., Nádaždy, P., ... & Kuzmík, J. (2023). Croissance de l’InAlN N-polaire riche en In-N par dépôt chimique de vapeur organique métallique sur saphir sur et hors axe. Science des matériaux dans le traitement des semi-conducteurs, 156, 107290.
2. Sakharov, A. V., Lundin, W. V., Zavarin, E. E., Zakheim, D. A., Usov, S. O., Tsatsulnikov, A. F., ... & Velikovskiy, L. E. (2018). Hétérostructures InAlN/GaN à barrière ultrafine pour les HEMT. Semi-conducteurs, 52(14), 1843-1845.
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