Optimization of GaN on Silicon technology for RF power applications - Archive ouverte HAL
Thèse Année : 2024

Optimization of GaN on Silicon technology for RF power applications

Optimisation de la technologie GaN sur Silicium pour les applications de puissance RF

Résumé

The advent of 5G and beyond telecommunications demands robust equipment capable of delivering superior output power density at high frequencies, particularly within the millimeter-wave spectrum ranging from 24 GHz to 94 GHz and beyond. This requires power amplifiers based on Gallium Nitride (GaN) instead of traditional Silicon (Si) and Gallium Arsenide (GaAs) employed in previous generations. GaN success in lighting and its potential in microLEDs, power electronics, and microwave technologies, including 5G networks, emphasizes its significance. SiC is generally the preferred substrate due to its high thermal conductivity, however not suitable for high volume applications because of the cost and low availability. Although more challenging from growth point of view, the use of cost effective Si substrate would solve the performance / reliability / cost balance. Usually, thick buffer layers (several μm) are used to minimize growth defect/dislocation density due to the large lattice mismatch between GaN and the Si substrate. However, thick buffer layers degrade the thermal dissipation and increase the epi-wafer cost. Therefore, the challenge lies in the hetero-integration of thin Nitride-based layers with Si substrates due to the growth complexity and material lattice mismatch. Despite two decades of research, mass-production of GaN-on-Si RF components remains elusive. To address this, a novel approach utilizing molecular beam epitaxy (MBE) on Si substrates is proposed, targeting the 5G market. This industrial Ph.D. collaboration between IEMN laboratory and EasyGaN aims to develop submicron GaN technology on Si for high-frequency applications up to W-band. The project focuses on creating a robust technology with superior performance while mitigating thermal and trapping effects. The thesis reminds the fundamentals of GaN-based HEMT for millimeter-wave applications, emphasizing growth techniques and device optimization. Methodologies for device fabrication and characterization, including high-frequency tests up to 40 GHz, are detailed. Optimization efforts include buffer and barrier layers, with a focus on enhancing power gain and transistor performance. In this work, the development of a total buffer thickness below 650 nm with Al-rich step-graded layers on Si substrate enables a unique combination of low electron trapping effects, low leakage current and extreme robustness under high electric field. Furthermore, the use of ultrathin AlN barrier combined with this innovative buffer allowed for high millimeter-wave power gain. This, in turn, enables excellent class AB bias operation at 40 GHz (up to VDS = 30 V) for 140 nm gate lengths, promising RF reliability and potentially stable ultrathin AlN/GaN-on-Si HEMTs under high-power operation. Finally, a thermal management technique is introduced to enhance RF performances. These projects signify a crucial step towards realizing cost-effective GaN-on-Si technology, pivotal for advancing future electronic components in telecommunications applications.
L’émergence des télécommunications 5G et au-delà exige des équipements robustes capables de fournir une densité de puissance de sortie supérieure à des fréquences élevées, particulièrement dans le spectre des ondes millimétriques allant de 24 GHz à 94 GHz et au-delà. Cela nécessite des amplificateurs de puissance basés sur le nitrure de gallium (GaN) plutôt que sur le silicium (Si) et l'arséniure de gallium (GaAs) traditionnellement utilisés dans les générations précédentes. Le succès du GaN dans l'éclairage et son potentiel dans les microLED, l'électronique de puissance et les technologies micro-ondes, y compris les réseaux 5G, soulignent son importance. Le SiC est généralement le substrat préféré en raison de sa haute conductivité thermique, cependant, il n'est pas adapté aux applications à grand volume en raison de son coût et de sa faible disponibilité. Bien que plus difficile d’un point de vue de la croissance, l'utilisation d'un substrat Si économique résoudrait l'équilibre entre performances / fiabilité / coût. Habituellement, des couches tampons épaisses (plusieurs μm) sont utilisées pour minimiser la densité de défauts de croissance / dislocations en raison du grand désaccord de réseau de maille entre le GaN et le substrat Si. Cependant, les couches tampons épaisses dégradent la dissipation thermique et augmentent le coût du wafer épitaxié. Par conséquent, le défi réside dans l'hétéro- intégration de couches minces à base de nitrure avec des substrats Si en raison de la complexité de croissance et du désaccord de réseau des matériaux. Malgré deux décennies de recherche, la production de masse de composants RF GaN-sur-Si reste évasive. Pour remédier à cela, une nouvelle approche utilisant l'épitaxie par jets moléculaires (MBE) sur des substrats Si est proposée, ciblant le marché 5G. Cette collaboration doctorale industrielle entre le laboratoire IEMN et EasyGaN vise à développer une technologie GaN submicronique sur Si pour des applications haute fréquence jusqu'à la bande W. Le projet vise à créer une technologie robuste avec des performances supérieures tout en minimisant les effets thermiques et de piégeage. La thèse rappelle les fondamentaux du HEMT à base de GaN pour les applications en gamme d'ondes millimétriques, en mettant l'accent sur les techniques de croissance et l'optimisation des dispositifs. Les méthodologies de fabrication et de caractérisation des composants, incluant les tests à haute fréquence jusqu'à 40 GHz, sont détaillées. Les efforts d'optimisation comprennent les couches tampons et la couche de barrière, en mettant l'accent sur l'amélioration du gain de puissance et des performances du transistor. Dans ce travail, le développement d'une épaisseur totale de couches tampon inférieure à 650 nm avec des couches graduées riches en Al sur un substrat Si a permis d’obtenir une combinaison unique de faibles effets de piégeage, de courant de fuite faible et une robustesse extrême sous champ électrique élevé. De plus, l'utilisation d'une barrière AlN ultramince combinée à ces couches tampons innovantes a permis de démontrer un gain de puissance élevé sur la gamme d’ondes millimétriques. Par conséquent, nous avons pu observer un excellent fonctionnement en polarisation de type classe AB à 40 GHz (jusqu'à VDS = 30 V) pour une longueur de grille de 140 nm, une fiabilité RF prometteuse et une stabilité potentielle des HEMTs AlN/GaN-sur-Si ultraminces sous forte puissance. Enfin, une technique de gestion thermique est introduite dans le but d’améliorer les performances RF. Ce projet marque une étape cruciale vers la réalisation d'une technologie GaN-sur-Si bas coût, essentielle pour faire progresser les futurs composants électroniques dans les applications de télécommunications.
Fichier non déposé

Dates et versions

tel-04666472 , version 1 (01-08-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04666472 , version 1

Citer

Elodie Carneiro. Optimization of GaN on Silicon technology for RF power applications. Engineering Sciences [physics]. Université de Lille, 2024. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-04666472⟩
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