Image de cartographie d'épaisseur de plaquette de Si GaN sur 200 mm. Crédit :Université de l'Illinois
Une équipe de chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign a fait progresser la technologie des transistors au nitrure de gallium (GaN) sur silicium en optimisant la composition des couches semi-conductrices qui composent le dispositif. En collaboration avec les partenaires industriels Veeco et IBM, l'équipe a créé la structure du transistor à haute mobilité électronique (HEMT) sur un substrat de silicium de 200 mm avec un processus qui s'adaptera à des tailles de plaquettes standard plus grandes.
Est-ce que Bayram, un professeur assistant en génie électrique et informatique (ECE), et son équipe ont créé la structure GaN HEMT sur une plate-forme de silicium car elle est compatible avec les processus de fabrication CMOS existants et est moins chère que d'autres options de substrat comme le saphir et le carbure de silicium.
Cependant, le silicium a ses défis. À savoir, la constante de réseau, ou l'espace entre les atomes de silicium, ne correspond pas à la structure atomique du GaN qui s'y trouve.
« Quand vous faites pousser le GaN par-dessus, il y a beaucoup de tension entre les couches, nous avons donc développé des couches tampons [entre le silicium et le GaN] pour aider à changer la constante de réseau à la bonne taille, " a expliqué Josh Perozek, chercheur de premier cycle à l'ECE, auteur principal de l'article du groupe, « Enquête sur les structures, optique, et les caractéristiques électriques d'une structure de transistor à mobilité électronique élevée AlGaN/GaN à travers un substrat Si(1 1 1) de 200 mm, " dans le Journal of Physics D :Physique appliquée .
Sans ces couches tampons, des fissures ou d'autres défauts se formeront dans le matériau GaN, ce qui empêcherait le transistor de fonctionner correctement. Spécifiquement, ces défauts - dislocations de filetage ou trous là où les atomes devraient être - ruinent les propriétés du canal de gaz d'électrons bidimensionnel dans le dispositif. Ce canal est essentiel à la capacité des HEMT à conduire le courant et à fonctionner à des fréquences élevées.
a) Structure transversale. b) Image MET des 80 nm supérieurs de la structure HEMT. La couche gris foncé marque le début de la surface. c) Image STEM du top 80 nm. La surface commence sous la couche noire et la bande sombre dans l'image est l'espaceur AlN. d) Analyse chimique EDS des 25 nm supérieurs. Les données avant 4 nm sont les valeurs de fond au-dessus de la surface. Crédit :Université de l'Illinois
"La chose la plus importante pour ces dispositifs GaN [HEMT] est d'avoir une concentration élevée de gaz d'électrons 2D, " dit Bayram, sur l'accumulation d'électrons dans un canal à l'interface entre le silicium et les différentes couches à base de GaN situées au-dessus.
"Le problème est que vous devez contrôler l'équilibre des contraintes entre toutes ces couches - du substrat jusqu'au canal - afin de maximiser la densité des électrons conducteurs afin d'obtenir le transistor le plus rapide avec la puissance la plus élevée possible densité."
Après avoir étudié trois configurations de couche tampon différentes, L'équipe de Bayram a découvert que des couches tampons plus épaisses en AlGaN gradué réduisent la dislocation de filetage, et l'empilement de ces couches réduit le stress. Avec ce type de configuration, l'équipe a atteint une mobilité électronique de 1, 800 cm2/V-sec.
" Moins il y a de contrainte sur la couche de GaN, plus la mobilité sera élevée, ce qui correspond finalement à des fréquences de fonctionnement des transistors plus élevées, " dit Hsuan-Ping Lee, un étudiant-chercheur diplômé de l'ECE qui dirige la mise à l'échelle de ces appareils pour les applications 5G.
Selon Bayram, la prochaine étape pour son équipe consiste à fabriquer des HEMT GaN haute fréquence entièrement fonctionnels sur une plate-forme en silicium pour une utilisation dans les réseaux de données sans fil 5G.
Lorsqu'il est entièrement déployé, le réseau 5G permettra des débits de données plus rapides pour les 8 milliards de téléphones mobiles dans le monde, et offrira une meilleure connectivité et de meilleures performances pour les appareils Internet des objets (IoT) et les voitures sans conducteur.
