Caractérisation électrique de la résistance thermique de composants GaN reportés 

Nous allons dans cette partie et la suivante nous concentrer sur le cas de composants à base de GaN fabriqués sur substrat silicium de diamètre 200 mm : il s’agit de la ligne stratégique du LETI en ce qui concerne le GaN dans le domaine de la puissance. Le procédé de fabrication de ces composants sur silicium est représenté dans la figure 17. Il consiste en une épitaxie de l’hétérostructure AlGaN/GaN, suivi de la réalisation des HEMTs. Les composants sont ensuite caractérisés électriquement, découpés et enfin packagés. Dans cette thèse, nous nous intéressons aux limitations dues au substrat silicium à deux niveaux de la fabrication des composants finaux : l’épitaxie et les performances électriques de ces composants (avant l’étape de packaging).

Les matériaux III-V que nous avons évoqués précédemment (GaN, AlN, AlxGa1 xN, etc.) sont épitaxiés sur un substrat. Cela consiste en la croissance d’un monocristal d’un matériau ayant un ou plusieurs éléments sur un support monocristallin : le substrat. Plus précisément, la technique qui a été utilisée pour réaliser les composants étudiés dans cette thèse s’appelle la croissance par MOCVD (pour « metalorganic chemical vapor deposition » en anglais). Il en existe d’autres, comme la croissance par MBE (pour « molecular beam epitaxy » en anglais), mais que nous ne détaillerons pas ici. On peut distinguer l’homoépitaxie, où l’on fait croitre un cristal sur un cristal de nature chimique identique, de l’hétéroépitaxie, où l’on fait croitre un cristal sur un cristal de nature chimique différente.

La croissance par MOCVD utilise des composés organo-métalliques comme le triméthylgallium (TMGa) qui sont amenés jusqu’au réacteur par un gaz vecteur (hydrogène ou azote). Leur pyrolise en surface du substrat chauffé permet l’apport des éléments III comme le gallium dans le cas du triméthylgallium. L’ammoniac est également utilisé comme précurseur de l’azote. Il est intéressant de noter pour la suite que ce procédé se fait à des températures élevées comme par exemple 1050 C pour la croissance du GaN.

L’hétéroépitaxie va induire des contraintes biaxiales dans le matériau épitaxié qui sont soit liées à la différence de paramètre de maille (contraintes d’épitaxie) soit liées à la différence de coefficients de dilatation thermique des deux matériaux lors du refroidissement après la croissance (contraintes thermo-élastiques). Ces contraintes vont induire des relaxations dans les matériaux qui pourront être élastiques ou encore plastiques.

Contraintes d’épitaxie :

L’utilisation de deux matériaux cristallins de paramètres de maille différents lors d’une hété-roépitaxie entraine des contraintes dans le plan de croissance. On parle de contraintes biaxiales. Elles peuvent être de nature compressive ou de nature extensive comme illustré dans la figure 18. Si le paramètre de maille du film épitaxié est supérieur à celui du substrat, comme le substrat va imposer son paramètre de maille au film, ce dernier va être contraint en compression. Inversement, si le paramètre de maille du film épitaxié est inférieur à celui du substrat, le film va être contraint en tension.

Contraintes thermo-élastiques :

Un matériau subissant un changement de température va se déformer. Il est possible d’exprimer cette variation de longueur L (m) en fontion de la variation en température T (K), de la longueur initiale L0 (m) et d’un coefficient appelé coefficient de dilatation thermique, qui est noté , qui s’exprime en K 1 et qui est caractéristique pour chaque matériau : L=L0T (1.5)

Lors du refroidissement en température après la croissance, la différence de coefficient de dilata-tion thermique entre le substrat et le film épitaxié va induire des contraintes dans l’hétérostructure appelée contraintes thermo-élastiques. Il est possible d’exprimer la déformation thermo-élastique th;film dans le film épitaxié en fonction des coefficients de dilatation thermique des différents matériaux et de la variation de température T : th;film = ( substratfilm) T (1.6)

La figure 19 présente la courbure d’une hétérostructure après un changement de température en fonction des coefficients de dilatation thermique des deux matériaux. Si le film est mis en compression (cas avec film < sub et une diminution de température par exemple) la structure aura une courbure convexe. Si le film est mis en tension (cas avec film < sub et une augmentation de température par exemple) la structure aura une courbure concave.

Figure 19 – Effet d’une variation de température sur la courbure d’une hétérostructure présentant des coefficients de dilatation thermique différents. a) Le film est déposé sans contrainte sur un substrat à une certaine température. b) Si le substrat et le film n’était pas lié, chacun s’étirerait ou se comprimerait différemment suite à une variation de température. Dans le cas réel, le substrat impose au film ses déformations. c) La contrainte résultante induit une courbure de la structure. Relaxation des contraintes :

En deçà d’une épaisseur critique, la contrainte dans les couches épitaxiées n’est pas suffisante pour induire une relaxation plastique : les matériaux se déforment alors de manière élastique sans génération de défauts. L’ensemble de l’empilement prend alors un paramètre de maille moyen cor-respondant à un équilibre des forces appliquées dans le plan de croissance et au minimum d’énergie élastique de la structure. Lorsque la contrainte dans les couches épitaxiées est suffisante pour passer en relaxation plastique, on a l’apparition de défauts irréversibles tels que des dislocations ou des fissurations. Ces défauts sont néfastes aux performances des composants voir rédhibitoires à leur fonctionnement.

Substrat massif :

L’idéal pour l’épitaxie du GaN serait d’utiliser un substrat massif monocristallin de GaN. Malheureusement, celui-ci n’est pas disponible en grande taille dans le commerce et est très coûteux. Or, pour réduire les coûts, il faut être capable de réaliser des composants sur des substrats de grande taille et que ceux-ci aient des prix raisonnables. L’épitaxie de GaN se fait donc sur des substrats différents du GaN et on a alors affaire à des hétéroépitaxies. Le choix de ce substrat pour l’épitaxie du GaN se fait en suivant différents critères selon les applications visées ; son accord de maille avec le GaN, son accord de coefficient de dilatation thermique avec le GaN, son coût, sa disponibilité ou encore sa conductivité thermique.

Nous allons détailler les avantages et inconvénients de certains de ces substrats en s’appuyant sur les données du tableau 2 :

— Le saphir : les premiers substrats utilisés pour épitaxier des couches de GaN étaient en saphir (ou oxyde d’aluminium Al2O3) [36]. C’est le substrat le plus couramment utilisé en optoélectrique de par son faible prix, sa transparence dans le visible et sa disponibilité et ceci malgré son fort désaccord de maille avec le GaN. Il est également utilisé pour l’électronique de puissance mais sa faible conductivité thermique est un point négatif à son utilisation dans ce domaine. De plus, les épitaxies de GaN sur saphir ne sont pas disponibles en grande dimension (200 mm ou plus).

— Le carbure de silicium : le substrat SiC présente une très bonne conductivité thermique ce qui le rend intéressant pour les applications de puissance. Il possède également un faible désaccord de maille et de coefficient de dilatation thermique avec le GaN. Cependant, le coefficient de dilatation thermique du SiC étant plus faible que celui du GaN, l’épitaxie de couches épaisses est alors rendue plus difficile comparée au cas du saphir. Le substrat SiC a également un coût élevé comparé au substrat saphir et n’est également pas disponible en grande dimension (200 mm ou plus). Néanmoins, les substrats SiC en 150 mm commencent à arriver sur le marché.

— Le nitrure d’aluminium : le substrat AlN est intéressant de par sa bonne conductivité ther-mique, son faible désaccord de maille et de coefficient de dilatation thermique avec le GaN. Il est cependant couteux et il n’existe malheureusement pas de substrat AlN monocristallin en grande dimension.

— Le silicium : le substrat silicium s’est imposé comme un candidat intéressant pour l’épitaxie du GaN. En effet, il est disponible en grande quantité dans toutes les dimensions utilisées en microélectronique et à un faible coût. De plus, la ligne silicium est bien développé ce qui rend plus accessible la fabrication de composants. Il présente cependant l’inconvénient d’avoir un fort désaccord de maille et de coefficient de dilatation thermique avec le GaN.

Le silicium est donc la voie la plus prometteuse pour l’épitaxie de GaN en grande dimension (substrat 200mm de diamètre). Néanmoins, comme énoncé précédemment, la différence de para-mètre de maille entre le GaN et le Si pose des problèmes lors de l’épitaxie (défauts, limitation de l’épaisseur maximale de GaN que l’on peut épitaxier). De plus, il n’est pas possible de réaliser une croissance bidimensionnelle de GaN directement sur Si. Pour résoudre ce problème, une couche de nucléation en AlN est épitaxiée sur le substrat Si. L’épitaxie du GaN sur cette couche d’AlN est alors possible.

La différence de dilatation thermique entre le GaN et le Si est suffisament importante pour provoquer une contrainte en tension importante provoquant la fissuration du matériau au moment du retour à température ambiante lors de l’épitaxie. Afin de pallier ce problème et comme illustré sur la figure 20, le LETI (et d’autres groupes comme présenté dans [37] [38] [39] par exemple) utilisent des couches tampons pour mettre en compression le GaN (en utilisant la contrainte créée par le désaccord de maille entre le GaN et la couche tampon). Ces contraintes compressives ont pour but de compenser les contraintes extensives et ainsi éviter d’éventuelles fissurations du GaN. Ces couches tampons peuvent être des alternances AlN/GaN [40] ou encore des super réseaux [39]. Néanmoins, ces procédés d’épitaxies restent coûteux, induisant une volonté de trouver des solutions alternatives comme il sera détaillé dans le paragraphe suivant.

Substrats multicouches :

Un substrat que nous nommerons multicouches (appelé « composite substrates » en anglais) est constitué d’un substrat sur lequel est assemblée une couche de germe à l’épitaxie tel qu’il est représenté schématiquement sur la figure 21. Un tel empilement a pour objectif d’utiliser différents matériaux qui présentent chacun des avantages pour l’épitaxie du GaN. En effet, le substrat doit être choisi de telle sorte qu’il soit adapté en terme de coefficient de dilatation thermique avec le GaN. La couche de germe à l’épitaxie doit quant à elle permettre une reprise d’épitaxie. Il devient alors envisageable d’ouvrir la gamme de substrats utilisables tels que des substrats polycristallins ou encore métalliques.

Comme énoncé dans le paragraphe précédent, un substrat massif SiC est un candidat inté-ressant pour la fabrication et les performances des composants GaN (notamment en thermique). Néanmoins son coût est élevé comparé à d’autres matériaux, comme le silicium par exemple. Plu-sieurs études [41] [42] ont donc utilisé un substrat polycristallin en SiC jumelé à une couche de germe à l’épitaxie monocristalline : il est ainsi possible de profiter des propriétés physiques du SiC à moindre coût. On peut citer par exemple la fabrication des premiers composants HEMTs sur substrat SiCopSi (couche monocristalline de SiC reportés sur Si avec une couche de collage en SiO2) et SiopSiC (couche monocristalline de Si reportée sur SiC polycristallin avec une couche de collage en SiO2) montrant des performances semblables aux composants réalisés sur un substrat monocristallin en SiC [41]. Le tableau 3 présente différents substrats multicouches étudiés dans la littérature. On retrouve les substrats SiC ou encore AlN polycristallin utilisés pour être en ac-cord de dilatation thermique avec le GaN tout en présentant une bonne conductivité thermique. D’autres études utilisent du diamant pour bénéficier de son excellente conductivité thermique [43]. Cependant, le fort désaccord de maille entre le GaN et le diamant induit des contraintes dans le GaN impactant directement les performances des composants (en termes de mobilité des électrons ou de densité du gaz bidimensionnelle d’électrons).

En fonctionnement, ces composants de puissance à base de GaN délivrent une puissance impor-tante qui provoque une forte génération de chaleur par effet Joule. Cette chaleur, si mal évacuée, induit une augmentation significative de la température du canal préférentiellement au niveau de la grille côté drain [48]. Cet échauffement va impacter les performances du composant ainsi que sa fiabilité. Au niveau des performances, une décroissance du courant de drain de saturation avec la température peut être observée (figure 22). Cette réduction du courant est due à une diminution de la mobilité du 2-DEG et de sa densité d’électrons avec la température [8]. Au niveau de la fiabilité des composants, l’augmentation de la température, due à l’auto-échauffement, est une des causes (en plus des fortes tensions et des forts courants qui traversent le composant) de dégradations structurelles. On peut citer par exemple l’apparition de trous aux extrémités de la grille dans le cas de HEMTs [49], qui vont dégrader leurs caractéristiques électriques.
On constate sur la figure 22 que le substrat (en saphir sur cet exemple) est proche des compo-sants (à quelques micromètres). Leurs structures en peignes interdigités couvrent alors une surface suffisante pour que le substrat ait un rôle significatif dans la dissipation thermique. Ainsi, il a été montré expérimentalement que les substrats saphir [50] et silicium [9] participent à la dégradation des performances de HEMTs AlGaN/GaN. L’utilisation de ces matériaux entraînent une mauvaise dissipation de la chaleur générée lors du fonctionnement des composants. La figure 23 présente des résultats expérimentaux et de simulations de caractéristiques I(V) dans le cas d’un substrat sili-cium [9]. La décroissance du courant de saturation (courbes avec les points en étoiles) coincide avec les simulations lorsque le phénomène d’auto-échauffement y est appliqué (courbes en pointillés), démontrant ainsi la présence de cet effet avec un substrat silicium.
De nombreuses études ont été réalisées afin d’améliorer la dissipation de la chaleur générée lors du fonctionnement des composants. Dans cette partie nous allons nous concentrer sur les approches substrats. En effet, comme il a été dit précédemment, les composants sont à seulement quelques micromètres du substrat de fabrication. Il en résulte que celui-ci a un impact direct sur l’évacuation de la chaleur générée en fonctionnement, induisant une volonté de le remplacer par un matériau plus adapté si sa capacité à évacuer la chaleur n’est pas bonne. Différents travaux ont été effectués sur ce sujet. De manière générale, les procédés utilisés dans ces études peuvent être résumés schématiquement dans la figure 24. L’objectif est le même pour chaque étude : remplacer le substrat de fabrication par un substrat plus adapté (thermiquement dans notre cas, mais cette approche peut se généraliser pour d’autres applications). Pour cela, il est nécessaire de réaliser un premier assemblage entre une plaque de départ (substrat de fabrication + composants) et un substrat dit temporaire. Ce substrat temporaire, nommé également « poignée », a pour vocation d’assurer le maintien mécanique des composants après le retrait du substrat de fabrication et avant l’« ajout » du substrat thermiquement adapté. En effet, les composants, mesurant quelques micromètres d’épaisseur, se casseraient s’ils n’étaient pas maintenus mécaniquement lors du retrait du substrat de fabrication. Le substrat thermiquement adapté est ensuite ajouté, soit à l’aide d’une étape de collage soit d’une étape de dépôt. Finalement, la poignée est retirée pour libérer la face avant des composants. Cela implique que le collage entre la poignée et la plaque de composants soit démontable : on doit pouvoir « annuler » son effet quand on le désire pour retirer la poignée.
Nous allons à présent détailler différentes solutions substrats adoptés dans l’état de l’art pour améliorer la dissipation thermique de composants GaN.
Report sur cuivre à partir d’un substrat saphir :
Un tel report a été réalisé sur un substrat en cuivre à partir d’un substrat d’épitaxie en saphir [10]. L’idée de base est de remplacer le substrat saphir qui a une faible conductivité thermique (50 W:m 1:K 1) par un meilleur conducteur thermique, dans ce cas du cuivre (390 W:m 1:K 1). Le procédé utilisé pour le changement de substrat s’identifie au procédé général décrit dans la figure 24. Il est détaillé dans la figure 25. Des composants HEMTs ayant une largeur de grille de 100 m sont fabriqués sur un substrat saphir sur lequel a été préalablement déposée par MOVPE une fine couche de nitrure de bore hexagonal (noté h-BN). L’étape (a) de collage temporaire se fait à l’aide d’un collage polymère sur une poignée en verre. L’étape (b) consiste à retirer le substrat saphir mécaniquement au niveau de la couche de h-BN. Un dépôt de titane/d’or (Ti/Au) puis d’indium (In) (étape (c)) suivi d’un collage par thermocompression (il s’agit d’un procédé de collage permanent dont le principe sera détaillé dans la suite) sur un substrat en cuivre (étape (d)) sont réalisés avant de retirer le substrat temporaire.
Les performances électriques en statique ont été étudiés suite à ce report dont notamment les caractéristiques I(V) illustrées sur la figure 26. En bleu sont représentées les courbes I(V) sur saphir (avant transfert) et en rouge sur cuivre (après transfert) : on remarque que le courant de saturation de drain diminue plus fortement pour le cas saphir que pour le cas cuivre pour des tensions VDS croissantes dans le régime de saturation. Cela montre la meilleure dissipation thermique obtenue avec le substrat cuivre comparé au substrat en saphir. Cette conclusion a été confirmée à travers une mesure par caméra infra-rouge de la température en surface des composants montrant une température plus basse avec le substrat en cuivre.
Cette étude montre un transfert de composants HEMTs à base de GaN sur un substrat cuivre à partir d’un substrat saphir à l’aide d’une couche de h-BN pour détacher le substrat saphir. Les composants sont toujours fonctionnels après le report et une meilleure dissipation thermique a été observée sur le substrat cuivre.
Report sur cuivre à partir d’un substrat silicium :
Nous allons à présent présenter une étude menée par Wong et al. [11]. Il s’agit également d’un report de composants HEMTs à base de GaN sur un substrat en cuivre mais dans cette étude, le substrat de croissance était en silicium. Le procédé de report est présenté sur la figure 27. Préalablement, une couche de polyimide est déposée sur les composants afin de les protéger d’éventuelles dégradations lors du report. Les composants sont d’abord collés par collage temporaire sur une poignée en saphir à l’aide d’une couche adhésive d’un matériau appelé « black Wax ». Après gravure humide de tout le substrat Si, une couche conductrice de Ti/Au est déposée en face arrière des composants, permettant une électrodéposition de 100 m de cuivre. La poignée est ensuite retirée, donnant accès aux composants pour des caractérisations électriques.
Une photographie des composants reportés est donnée dans la figure 28. On voit de nombreuses fissures à la surface de l’échantillon : celles-ci sont dues à des fissurations dans la couche de GaN. En effet, le GaN est fortement contraint en tension suite à l’épitaxie : lorsque le substrat silicium est retiré, la couche de GaN se relaxe par apparition de fissures, dégradant ainsi certains composants.
Figure 28 – Photographie de transistors HEMTs à base de GaN reportés sur substrat cuivre [11].
Des caractérisations électriques ont été réalisées sur les transistors HEMTs (Lg=Wg=Lgs=Lgd = 1=10=1=1 m) avant et après le report sur cuivre et sont présentés avec la figure 29. Le courant de drain maximum plus élevé et la décroissance plus faible du courant de saturation avec la tension VDS dans le cas du cuivre indiquent une meilleure dissipation thermique pour les composants reportés sur un substrat en cuivre. La résistance à l’état passant RON est cependant plus élevée sur cuivre que sur silicium ce qui a été attribué à une dégradation des contacts lors du procédé de report (les résistances de contact ont été mesurées plus élevées après le report).
Cette étude présente un transfert de composants HEMTs à base de GaN sur un substrat cuivre à partir d’un substrat silicium. Des fissurations ont été observées après le report, endommageant une partie des transistors. Les composants toujours fonctionnels après le report sur cuivre montrent une amélioration de la dissipation thermique mais également une dégradation des contacts élec-triques (et donc une augmentation du RON ) due au transfert.
Report sur diamant à partir d’un substrat de carbure de silicium :
L’idée de cette étude est de reporter des transistors HEMTs à base de GaN sur un substrat diamant polycristallin qui présente une très bonne conductivité thermique (de l’ordre de 1800 2000 W:m 1:K 1) [12]. Le procédé de transfert est présenté en figure 30. Il consiste, à partir de composants sur substrat SiC, en (1) un collage temporaire sur une poignée en SiC avec une couche adhésive, (2) un polissage mécanique suivi d’une gravure sèche du substrat SiC d’origine pour s’arrêter sélectivement sur l’AlN, (3) en un collage avec un substrat diamant avant de retirer la poignée. Dans ces travaux, le matériau de la couche de collage n’est pas précisé.
Des caractérisations I(V) en statique ont été réalisées pour voir l’impact du substrat et sont présentées dans la figure 31. Les valeurs de courants de drain de saturation plus élevées, pour une même tension de grille, pour le substrat diamant comparé au substrat SiC témoignent d’une meilleure dissipation thermique avec le substrat diamant. Ce point est confirmé par des mesures de température à l’aide d’une caméra infrarouge qui montrent une réduction du pic de température de 50 C en faveur du diamant pour une puissance dissipée équivalente. Néanmoins, la réduction de l’effet d’auto-échauffement n’est pas aussi importante qu’escomptée avec le diamant. Cela a été attribué à la résistance thermique d’interface du matériau (non précisée) pour réaliser la couche de collage entre les composants HEMTs et le substrat diamant.

Nous allons dans cette partie détailler les différentes plaques de composants que nous avions à disposition lors de cette étude et que nous avons reportées selon le procédé illustré dans le tableau 5 et qui sera présenté plus en détail dans la partie 2.3.1, page 65. Le tableau 7 liste ces plaques. La technologie de ces composants à base de GaN n’est pas encore totalement mature et est toujours en cours d’optimisation au sein du laboratoire de puissance du Leti avec lequel nous travaillons. C’est pour cette raison que sont spécifiées, dans le tableau 7, l’ordre de réalisation des composants pour refléter la maturité technologique (tant au niveau de l’épitaxie des couches III-V qu’au niveau des composants). La première d’entre elles (plaque A) ne possède que des transistors à faible largeur de grille (de l’ordre de 0; 1 mm) ainsi que des motifs de caractérisation. Elle a été utilisée en premier lieu afin de valider le procédé de report choisi avant de reporter des plaques comportant des composants de plus grandes dimensions (HEMTs et diodes Schottky). Les plaques B et C ont suivi le même procédé de fabrication et comportent des HEMTs ayant un développement total de 100 mm. Elles diffèrent néanmoins au niveau des contacts : les deux plaques ont un empilement de contact standard mais la plaque B a eu un dépôt supplémentaire de contact en Au pour une étude indépendante de cette thèse. La dernière plaque reportée est la plus récente (plaque D) et comporte des diodes Schottky ayant un développement total de 52 mm.