Analyse et modélisation de composants passifs et actifs sur GaN

Les circuits intégrés micro-ondes monolithiques, appelés circuits MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuits), sont des composants intervenant au cœur d’un nombre important d’applications civiles et militaires, comme nous l’avons évoqué précédemment. Ainsi, les principaux enjeux pour ces circuits MMIC sont de fait leurs performances mais aussi, leurs temps de développement et leurs coûts de production. Dans ce contexte, la technologie MMIC requiert le développement de composants passifs intégrés à hautes performances tels que les capacités à forte tension, les résistances, les inductances, les ponts à air et les via-holes. De ce fait, le choix du type de substrat (Si ou SiC) et de la structure de transmission (coplanaire ou microruban) sont critiques en raison de leur impact sur les performances des composants actifs et sur le coût du procédé. Nous allons donc détailler dans ce chapitre le principe de fabrication ainsi que celui de modélisation des éléments passifs dédiés aux concepteurs de circuits intégrés en technologie GaN. Nous présenterons la topologie des modèles électriques utilisés ainsi que les méthodes d’optimisation que ce soit au niveau électrique ou électromagnétique puis l’implémentation de la bibliothèque sous le logiciel de CAO ADS d’Agilent Technologies. Dans une seconde partie, nous présenterons les modèles non-linéaires de transistors impliqués dans nos conceptions. Le premier est un transistor HEMT de développement de grille 8×50µm sur technologie SiC du process TIGER. Le second est un transistor HEMT de développement 8×75µm sur substrat SiC également de chez TIGER. Nous présenterons les principes majeurs de modélisation non-linéaire électrothermique d’un composant appliqués au transistor 8×75µm.

Étude et modélisation  de composants passifs GaN

Dans cette partie, le but de nos travaux était de réaliser des modèles de composants passifs GaN dans le cadre du programme Korrigan de développement d’une nouvelle filière MMIC HEMT GaN. Dans cet objectif, nous avons analysé le comportement des composants technologiques via des simulations électromagnétiques puis après leur réalisation, nous avons synthétisé et optimisé des modèles électriques équivalents afin de représenter le plus fidèlement possible les mesures qui ont été réalisées au sein d’Alcatel Thalès III-V Lab. Cette étude a été conduite pour différentes tailles et paramètres technologiques des différents composants passifs MMIC. La modélisation paramétrée de composants passifs constitue une étape cruciale pour tout travail de conception d’amplificateurs avec les performances et les hauts niveaux d’intégration que cela implique. De nombreuses recherches ont été réalisées sur ce thème depuis une vingtaine d’années avec la montée des RFICs qui ont donné lieu à de nombreuses publications 

Contexte

Les masques des différents composants ont été conçus à Alcatel Thalès III-V Lab afin de réaliser une librairie de composants passifs aussi complète que possible en technologie GaN pour deux substrats différents : silicium (Si) et carbure de silicium (SiC) et pour deux types de lignes de transmission : coplanaire et microruban. Les modèles électriques ont été extraits à partir des mesures de paramètres S jusqu’à 40GHz et implémentés dans un guide de conception sous le logiciel ADS. Dans ce chapitre, nous nous intéresserons plus particulièrement aux résultats obtenus pour le substrat en carbure de silicium (SiC) car il représente le substrat retenu pour la conception de l’amplificateur de puissance présenté et étudié dans le chapitre 3.  

Définition des éléments passifs à modéliser

Plusieurs composants passifs ont été implantés sur le masque dont la liste exhaustive des tailles est donnée ci-dessous :  capacités MIM (carrées) : 0.5, 1, 2, 5 et 10pF  inductances spirales de 0.25 à 12nH (valeurs de 0.25, 0.7, 1, 2, 3, 4.5, 12nH variant en fonction de la largeur de piste W)  résistances NiCr de 150 et 300Ω  capacités parallèles de 1pF  via-hole (un port)  via-hole (deux ports)  lignes de diverses longueurs de 246µm à 1935µm pour les deux types de transmission  éléments de test Ci-dessous, la Figure 2-1 représente la répartition des éléments passifs sur le masque WOODS tandis que la Figure 2-2 montre le layout du réticule WOODS microruban. Un réticule similaire a été réalisé pour la technologie coplanaire.

Procédé technologique des composants passifs GaN

Le procédé technologique des composants passifs a été élaboré au laboratoire Alcatel Thalès III-V Lab (ATL). La Figure 2-3 montre la vue en coupe du procédé GaN MMIC. L’empilement AlGaN/GaN est épitaxié par MOCVD (Metal Organic Vapor Deposition) ou par MBE (Molecular Beam Epitaxy) sur un substrat 2 pouces en Si haute résistivité ou 4H-SiC semiisolant. Les détails du process complet sont décrits ci-dessous : Dans un premier temps, une fine couche structurée Ti/Pt/Au/Ti (niveau N1, typiquement 50mΩ/sq) est obtenue par évaporation et lift-off pour l’électrode inférieure des capacités MIM. Le niveau N1 est déposé sur une couche de SiO2/Si3N4 obtenue par PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) qui est utilisée pour la passivation des transistors. Par la suite, une couche de 50 nm de NiCr (50%-50%), déposée par pulvérisation magnétron RF, est utilisée pour réaliser par technique lift-off les résistances (TFRs) avec une résistance carrée typique de 30Ω/sq. Le diélectrique des capacités MIM est réalisé par une couche de nitrure de silicium (Si3N4) d’épaisseur 2500Å obtenue par PECVD et permettant d’obtenir une densité de capacité mesurée de 250pF/mm² pour des valeurs de capacité allant de 0.5 à 10pF. Ensuite, une couche épaisse Ti/Pt/Au (niveau EP, 15mΩ/sq) d’épaisseur 2µm est obtenue par évaporation et lift-off pour l’électrode supérieure des capacités MIM, pour les interconnections et pour les lignes de transmission. Enfin, des ponts à air sont réalisés avec une épaisseur typique de 5µm (Au) pour les interconnections et les accès des capacités et des inductances. La Figure 2-4 présente une photographie après réalisation d’une capacité MIM, d’une inductance spirale ainsi que d’une résistance pour un masque coplanaire.