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).