si/aln epiready substrates for galium nitride growth ... epiready substrates for galium nitride...
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1
Si/AlN Epiready substrates for Galium Nitride growth :
Application to HEMT and LEDs devices
K. Ait Aissa, J. Camus, S. Bensalem, B. Belkerk, A. Achour, Q. Simon Y. Scudeller et A. Djouadi
JOURNEE DES LABOS 2013, Angers
Competences and Research approaches
Surface and thin film analysis
IMN “Centre de MicroCaractérisation”
Thermal measurements from
macro to nano scale.
Thermal sensors design,
fabrication and integration
Material optimization.
Thin films and
nanostructures
Application to Electronic
and optoelectronic devices
Low temperature
process Magnetron
& HIPIMS
Control and mastery of process and material: Micro
and NanoTechnology Applications
GaN material applications
4
ANR CREATIVEPIANR NANOTHERMIC
Problematic
BCBDiélectrique à forte conductivité thermique
1èret Couche de passivation (SiN/SiO2)
Source DrainGrilleAlGaN 25 nm
GaN 1-3 µm
GaN
Substrat (SiC, saphir)
2D
2ème couche de passivation (BCB)2ème couche de passivation diélectrique
Substrat (Si)
Source DrainGrilleAlGaN 25 nm
GaN 1-3 µm
GaN
2D
AlN template
0 40 80 120 160 20010
0
101
102
103
104
CRHEA (480 nm)
NICHIA (472 nm)
Lig
ht
ou
tput
(µW
)
Injection Current (mA)
LED
LED + epoxy dome
430 nm
MOCVD MBE
Problematic
ANR CREATIVEPI Project
-180 -150 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 150 180
AlN MBE {101}
AlN AV01 {101}
= 1.4°
= 1.6°
Si {400}
(°)
Inte
nsité
s n
orm
alis
ée
s (
u. a
.)
XRD: -scan
Si (111)
AlN (002)
0.312 nm
0.384 nm Mismatch = 19 %
Signature of epitaxial growth of AlN at low temperature
AlN PVD (IMN)
Si (111)
AlN MBE (CRHEA)
Epiready Substrate AlN(PVD)/AlN(MBE)/Si<111>
2 nm
2 n m
AlN MBE
AlN PVD
Interface
8
DRX: -scan (rocking-curve)
300 400 500 600 700 800 900 1000
0
1
2
3
4
5
Silicium <111>
AlN MBE (10 nm) / Si <111>
AlN MBE (20 nm) / Si <111>
AlN MBE (25 nm) / Si <111>
AlN MBE (42 nm) / Si <111>
AlN MBE (50 nm) / Si <111>
FW
HM
de
l'o
rie
nta
tio
n (
00
2)
en
mo
de
ro
ckin
g c
urv
e
Epaisseur (nm)
FissurationsProcess II
Cracking of AlN MBE film with thickness > 150 – 200 nm
AlN PVD films with no cracking up to 600 nm
Stress control of the GaN upper film
FWHM10 nm= 2°
FWHM20 nm= 1.2°
FWHM25 nm= 1.1°
FWHM42 nm= 0.9°
FWHM50 nm= 0.9°
AlN PVD (IMN)
Si (111)
AlN MBE (CRHEA)
Si et AlN PVD/Si substrate Comparison
9
Si (111)
AlN 20 nm
AlN PVD
GaN
AlN
AlGaN
GaN
AlN
AlGaN
GaN
GaN
AlN
AlN PVD
GaN
GaN
AlN
RMS =
4.3 nm
Structure of HEMT device with AlN (PVD) Epiready substrate
Thèse J. Camus (2011-2014)
GaN epitaxial growth
Growth of epitaxial GaN films
Comparaisons –collapse
0 5 10 15 20
50
100
150
200
250
300
350
Vgs=1V
dV=-1V
Ids (
mA
/mm
)
Vds (V)
ptc666
COLLAPSE = Idknee - Id20V
Idknee
-5,00E-01
-4,00E-01
-3,00E-01
-2,00E-01
-1,00E-01
0,00E+00
1,00E-01
2,00E-01
3,00E-01
4,00E-01
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
(Id
sm
ax
-Id
)/Id
ma
x
Idsmax(A/mm)
Lg2-9um
416C-GaN-Al2O3
417A-GaN-Al2O3
417C-GaN-Al2O3
440-GaN-Al2O3
345-AlN-Al2O3
345-AlN-Al2O3
335-3C-SiC
335-3C-SiC
203_Si
203_Si
380-Si
165-Si
377-Si
141-SiC
141-SiC
141-SiC
141-SiC
525-Si
PTC666
Electrical Tests of GaN HEMT Device
Si (111)
AlN 20 nm
AlN PVD
GaN
AlN
AlGaN
GaN
AlN
AlGaN
GaN
GaN
AlN
Consortium
IMN Univ. Nantes
ATL, III-V Lab.
GREMI Polytech Orléans
LGMPA Polytech Nantes
ESPCI Paris
PDI, Univ. Berlin
NanoThermIC
project
12
Thermal Properties
0
50
100
150
200
250
300
350
0 2000 4000 6000 8000
dcMSHiPIMSEtude 1Etude 2Etude 3
th
(W. K
.m
)
Epaisseur (nm)
Magnétron équilibré (RC > 9°)
RC = 2.3°
RC
= 1
.6°
RC
= 2
°
RC
= 1
.8°
Film contraint
Etude (1) et (2) : C. Duquenne, Thèse de doctorat, Université de Nantes (2008)
Etude (3): A. Soussou, Thèse de doctorat, Université de Nantes (2011).
HiPIMS films exhibit thermal
conductivity up to 250 50 W.K.m
Page 13
QCL @3.9µm
AlN integration in a real process
Patent: « Dispositif optique utilisant un dépôt de Nitrure d’Aluminium, non épitaxié, assurant une fonction optique »
WP 3. Thermal managment of QCL devices
Drain
Source
GateSource
Gate
Pulsed IV measurement onHEMT result currently obtainedwith classical technology
Gate
AlN
Good Static and pulsed IV measurementsGm= 250mS/mm, Idss= 880mA/mm, Vp=-4.3V
AlN as secondary passivation layer
Co
pyr
igh
t ©
20
11
III-
V L
ab. A
ll ri
ghts
res
erve
d.
WP 4. High thermal conductivity passivationof GaN-based HEMT
15
La synergie entre les aspects thermiques et les procédés couches minces fait de l’IMN un partenaire privilégié non seulement pour réduire la température d’élaboration des composants électroniques mais aussi pour assurer leur management thermique. Participation au Labex Ganex qui est cordonné par le CRHEA et qui rassemble toute lacommunauté du GaN en France.
Collaboration dans le cadre du Labex Ganex,
thèse Ganex et Conseil Régional PdL de Salma
Bensalem en collaboration avec l’IEMN à Lille, le
CRHEA à Sophia Antipolis et le LAAS à Toulouse
(2012-2015).
Collaboration DGA dans le cadre de la thèse de
Julien Camus en collaboration avec 3-5 Lab. à
Marcoussis (2011-2014).
Thèse CEATech De Sylvain SIM avec le CEA, La
Région PdL et ATLANTIC. La thèse est adossée à
l’ANR Fichtre en collaboration avec le CEA- LITEN,
INP Grenoble et des industriels (Savimes,
Polymage, CCIT et Id3) (2013-2016).
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