Brevet FR3051977A1 — publié le 20171201

DISPOSITIF A HAUTE MOBILITE ELECTRONIQUE AVEC ELEMENTS PASSIFS INTEGRES DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne les dispositifs à haute mobilité électronique (HEMT). Elle concerne en particulier des dispositifs HEMT comprenant des éléments passifs intégrés 10 monolithiquement. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION 15 Les vitesses de commutation des dispositifs HEMT (« High electron mobility transistor » selon la terminologie anglosaxonne) étant intrinsèquement élevées, les designs actuels intègrent des éléments passifs de manière à ralentir cette commutation pour éviter des effets oscillatoires néfastes. Ces 20 éléments passifs se présentent souvent sous la forme de résistances discrètes implémentées à l'extérieur du dispositif, à l'intérieur ou à l'extérieur du boitier de packaging. Pour des transistors simples, une résistance de quelques ohms est connectée en série avec l'électrode de grille. 25 Dans un montage cascode qui associe deux transistors de caractéristiques différentes (en particulier un MOS « MetalOxide-Semiconductor » et un HEMT) et permet de combiner les avantages de chacun dans un dispositif hybride, le noeud interne connectant l'électrode de drain du transistor MOS et l'électrode 30 de source du transistor HEMT est rappelé vers le potentiel de source du transistor MOS par une résistance de quelques centaines de kilo-ohms. Le recours à des éléments discrets externes complexifie 35 l'assemblage et le packaging de ces dispositifs HEMT. 3051977 2 OBJET DE L'INVENTION Un objet de l'invention est de proposer une solution 5 alternative à l'état de la technique et remédiant aux inconvénients de celui-ci. Un objet de l'invention est en particulier un dispositif HEMT comportant au moins un élément passif intégré monolithiquement (sur la même puce). BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION L'invention concerne un dispositif comprenant : - une couche active comportant un empilement de couches apte à développer une couche de gaz d'électrons à deux dimensions ; - une première électrode de source et une première électrode de drain chacune en contact avec la couche active, une région active s'étendant entre la première électrode de source et la première électrode de drain ; - une première électrode de grille entre les premières électrodes de source et de drain ; Le dispositif est remarquable en ce qu'il comprend au moins un élément passif formé dans la couche active par un segment de la 25 couche de gaz d'électrons à deux dimensions, en dehors de la région active, et présentant deux bornes. L'élément passif, formé dans la couche active par un segment de la couche de gaz d'électrons à deux dimensions, est 30 élaboré monolothiquement avec le dispositif, c'est-à-dire sur le même substrat support avant singularisation des puces. L'invention permet ainsi de simplifier les étapes, après singularisation de la puce du dispositif, d'assemblage et de packaging puisqu'il n'y a pas d'éléments passifs externes à 35 connecter aux plots de connexion électrique sortant du dispositif. La couche de gaz d'électrons à deux dimensions est ainsi mise à profit pour la fabrication d'éléments passifs 3051977 3 intégrés, en dehors de la région active, dans des zones où elle est habituellement inutile donc éliminée. Selon des caractéristiques avantageuses du dispositif 5 selon l'invention, prises seules ou en combinaison : - l'empilement de couches est formé en matériaux semiconducteurs du groupe III-V ; - les matériaux semi-conducteurs du groupe III-V sont choisis parmi le GaN et ses alliages AlGaN, le GaAs et ses 10 composés ; - l'élément passif est une résistance ; - l'élément passif se présente, dans le plan de la couche active, sous la forme d'un serpentin défini par isolation latérale ; 15 - l'élément passif est relié à au moins une première électrode du dispositif par au moins une de ses bornes ; - l'élément passif est connecté en série avec la première électrode de grille ; - l'élément passif forme un capteur de température en ce 20 qu'une mesure de résistance à ses bornes permet de déduire une valeur de température ; - les premières électrodes font partie d'un transistor HEMT ; - le dispositif forme un montage cascode dans lequel des deuxièmes électrodes font partie d'un transistor MOS et les premières électrodes font partie d'un transistor HEMT, comprenant : o une deuxième électrode de drain connectée à la première électrode de source, formant un premier noeud, o une deuxième électrode de source connectée à la première électrode de grille, formant un deuxième noeud ; o une deuxième électrode de grille ; o et dans lequel les deux bornes de l'élément passif sont respectivement connectées au premier et au deuxième noeud ; - le dispositif forme un montage cascode dans lequel des deuxièmes électrodes font partie d'un transistor MOS et 3051977 4 les premières électrodes font partie d'un transistor HEMT, comprenant : o une deuxième électrode de drain connectée à la première électrode de source, formant un premier 5 noeud ; o une deuxième électrode de source connectée à la première électrode de grille, formant un deuxième noeud ; o une deuxième électrode de grille ; 10 o et dans lequel les deux bornes de l'élément passif sont respectivement connectées à la deuxième électrode de grille et au deuxième noeud. 15 BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée de l'invention qui va suivre en référence aux figures annexées sur lesquelles : 20 - la figure la et lb présentent respectivement une vue en coupe et une vue de dessus d'un dispositif HEMT selon l'état de l'art ; - la figure 2 présente une vue de dessus d'un dispositif 25 HEMT conforme à l'invention ; - les figures 3a à 3c présentent une vue de dessus (a) et des vues en coupe (b,c) d'un élément passif inclus dans un dispositif conforme à l'invention ; - la figure 4 présente le schéma électrique d'un dispositif 30 HEMT selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 5 présente le schéma électrique d'un dispositif Cascode selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 6 présente le schéma électrique d'un dispositif 35 Cascode selon un troisième mode de réalisation de l'invention ; 3051977 5 DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Les figures sont des représentations schématiques qui, 5 dans un objectif de lisibilité, ne sont pas à l'échelle. En particulier, les épaisseurs de couches selon l'axe z ne sont pas à l'échelle par rapport aux dimensions latérales selon les axes x et y. Les épaisseurs de couches selon l'axe z peuvent également ne pas être à l'échelle relativement les unes par 10 rapport aux autres. Par ailleurs, pour permettre une visualisation plus aisée de la localisation de l'élément passif selon l'invention, une vue de dessus pourra dans certains cas représenter des éléments compris dans plusieurs plans verticaux (selon l'axe z sur les figures) différents et non nécessairement 15 en contact entre eux. La figure la présente une vue en coupe d'un dispositif à haute mobilité électronique (HEMT) 100 selon l'état de l'art. Il comporte une couche active 1 au moins formée par l'empilement 20 d'une couche barrière la sur une couche canal lb. Cet empilement de couches est apte à développer une couche 2 de gaz d'électrons à deux dimensions (2DEG pour « 2-dimensional electron gaz » selon la terminologie anglo-saxonne), situé juste en-dessous de l'interface entre la couche barrière la et la couche canal lb. 25 Un tel empilement de couches est habituellement formé en matériaux semi-conducteurs du groupe III-V qui pourront être choisi parmi le nitrure de gallium (GaN), le nitrure d'aluminium (A1N) et leurs alliages ternaires Al.Gal_,N ou parmi l'arséniure de gallium (GaAs) et ses composés (AlGaAs, InGaAs). A titre 30 d'exemple, une couche barrière la pourra être élaborée à base d'AlGaN et la couche canal lb, à base de GaN. Le dispositif HEMT 100 comporte en outre des premières électrodes de source 3 et de drain 4 en contact électrique avec la couche active et en particulier avec la couche 2DEG 2. Cette 35 dernière constitue le canal de conduction du courant entre la première électrode de source 3 et la première électrode de drain 4 lorsque le dispositif est en mode passant. La région entre la première électrode de source 3 et la première électrode de drain 4, contenant le canal de conduction, est appelée région active du dispositif 100. 3051977 6 Enfin, une première électrode de grille 5 est disposée entre les premières électrodes de source 3 et de drain 4. Dans l'exemple de la figure la, la première électrode de grille 4 est isolée de la couche active 1 par une couche isolante 6 ou un 5 empilement de couches isolantes. Bien-sur d'autres configurations d'électrodes de grille existent et pourront indifféremment être mises en oeuvre pour la fabrication du dispositif HEMT 100. 10 La figure lb présente une vue de dessus d'un dispositif HEMT 100 présentant une géométrie planaire avec une pluralité de premières électrodes de source 3 et de drain 4 interdigitées. La figure la représente une vue selon le plan de coupe AA'. La pluralité de premières électrodes de source 3, de drain 4, et de 15 grille 5 sont respectivement connectées à des premiers plots de connexion de source 30, de drain 40 (non représenté) et de grille 50. Dans le plan (x,y) de la figure lb, la région 10 comprend la région active dans laquelle la couche 2DEG 2 forme le canal de conduction ; la région 11, notamment en dessous des 20 plots de connexion des différentes électrodes, correspond à une zone dans laquelle la couche 2DEG 2 est habituellement éliminée. L'invention concerne un dispositif à haute mobilité électronique 110 dans lequel au moins un élément passif 7 est 25 formé dans la couche active 1 par un segment de la couche 2DEG 2, en dehors de la région active 10 c'est-à-dire typiquement dans une région 11, située sous les plots de connexion de source 30, drain 40 ou grille 50 ou en périphérie de ceux-ci. La figure 2 illustre un exemple d'un élément passif 7 situé en-dessous du 30 plot de connexion de grille 50 (représenté dans une fenêtre blanche traduisant la localisation de l'élément passif 7 dans un plan inférieur au plot 50) ; l'élément passif 7 n'est pas nécessairement connecté au plot de connexion sous lequel il est placé. Le segment de couche 2DEG composant l'élément passif 7 35 est défini par isolation latérale dans la couche active 1, comme décrit plus avant en référence aux figures 3a, 3b et 3c. L'élément passif 7 pourra avoir une fonction de résistance, d'inductance ou encore de capacité. Selon des modes 3051977 7 de réalisation privilégiés décrits par la suite, l'élément passif 7 a une fonction résistive. Comme illustré sur la figure 3a, l'élément passif 7 5 pourra notamment se présenter, dans le plan (x,y) de la couche active 1, sous la forme d'un serpentin comportant deux bornes 8,9 de connexion en ses extrémités. Ces bornes 8,9 pourront être formées par un matériau choisi de manière non limitative parmi des alliages de titane, d'aluminium, tungstène, nickel, 10 palladium, or, et établissant un contact ohmique avec le segment de couche 2DEG de l'élément passif 7. Ce dernier est élaboré par un procédé d'isolation dont quelques exemples sont donnés sur les figures 3b et 3c. Selon un premier exemple (figure 3b), la définition du 15 segment de couche 2DEG 2 de l'élément passif 7 est réalisée par un procédé d'isolation consistant en l'implantation locale d'ions 20 (par exemple, des ions d'argon) dans la couche active 1, au niveau des zones 21 bordant l'élément passif 7. On pourra utiliser une couche de masquage (non représentée), déposée sur 20 les zones correspondant à l'élément passif 7 dans le plan (x,y), préalablement à l'implantation, pour introduire les ions 20 uniquement localement. Les défauts générés par cette implantation vont empêcher la formation de la couche 2DEG 2. Selon un deuxième exemple (figure 3c), le procédé 25 d'isolation consiste à retirer localement au niveau des zones 21, tout ou partie de la couche barrière la. Selon une variante, une partie de la couche canal pourra également être retirée localement. L'empilement de couches de la couche active 1, apte à développer la couche 2DEG 2 n'étant plus présent, la couche 30 2DEG 2 n'existe plus dans la zone 21. On réalise ainsi l'isolation latérale permettant de définir le segment de couche 2DEG 2 qui compose l'élément passif 7, dans la couche active 1. 35 Une couche 2DEG 2, par exemple formée dans une couche active 1 composée d'AlGaN (couche barrière la) et de GaN (couche canal lb) présente une résistance de couche Rs (« sheet resistance » selon la terminologie anglo-saxonne) de l'ordre de 500ohms par carré. La largeur W et la longueur L (entre les deux 40 bornes 8,9) du segment de l'élément passif 7 vont ainsi 3051977 8 déterminer la résistance R entre les bornes 8,9 selon R=R,L1w. A titre d'exemple, la largeur de l'élément passif 7 pourra être comprise entre quelques dixièmes de microns et quelques centaines de microns, sa longueur pourra être comprise entre 5 environ 1 micron et quelques dizaines de millimètres. Prenons l'exemple d'un élément passif 7 ayant la forme d'un rectangle de largeur W=100 microns et de longueur L=1 micron dans le plan (x,y), la résistance R aux bornes 8,9 sera de l'ordre de 5 ohms. Un élément passif 7 ayant une forme de serpentin de largeur 1 10 micron et de longueur lmm (la longueur étant la somme des longueurs des différentes sections du serpentin entre les deux bornes 8,9) présentera une résistance R de l'ordre de 500 kohms. Le dispositif 110 selon l'invention peut ainsi comprendre un élément passif 7 présentant une résistance comprise entre 15 environ 1 ohm et plusieurs centaines de kilo-ohms, voire de l'ordre du méga-ohm. L'élément passif 7, formé dans la couche active 1 par un segment de la couche 2DEG 2, est élaboré monolothiquement avec 20 le dispositif 101. Cette configuration permet de simplifier les étapes ultérieures, après singularisation de la puce du dispositif, d'assemblage et de packaging, puisqu'il n'y a plus d'éléments passifs externes à connecter à des plots de connexion du dispositif. La couche 2DEG 2 est ainsi mise à profit pour la 25 fabrication d'éléments passifs intégrés, en-dehors de la région active 10, dans une région 11 où elle est habituellement inutile donc éliminée. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, le 30 dispositif 110 comprend un transistor HEMT et un élément passif 7 (résistance) connecté à une première électrode de grille 5. Comme invoqué en partie introductive, les designs actuels intègrent des résistances de manière à ralentir la commutation du transistor HEMT pour éviter des effets oscillatoires 35 néfastes. L'élément passif 7 présente alors avantageusement une résistance de quelques ohms et est connecté en série avec l'électrode de grille 5 (ce qui équivaut à être connecté en série avec le plot de connexion de grille 50) du transistor HEMT, comme illustré sur le schéma électrique de la figure 4. A 40 titre d'exemple, l'élément passif 7, formé dans la couche active 3051977 9 1, pourra se présenter sous la forme d'un rectangle de l'ordre de 1 micron de longueur L (entre les bornes 8,9) et de l'ordre de 100 microns de largeur W. La connexion en série des bornes 8,9 et de la grille pourra être faite selon les procédés 5 habituels de fabrication d'interconnexions métalliques. Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, le dispositif 110 forme un montage cascode comprenant un transistor HEMT 120 et un transistor MOS 121. Des deuxièmes électrodes (de 10 source 31, de drain 41 et de grille 51) font partie du transistor MOS 121 et les premières électrodes font partie du transistor HEMT 120. Comme illustré sur la figure 5, la deuxième électrode de drain 41 est connectée à la première électrode de source 3 (ou encore connectée au plot de connexion de source 15 30), formant un premier noeud 201. La deuxième électrode de source 31 est connectée à la première électrode de grille 5 (ou encore connecté au plot de connexion de grille 50), formant un deuxième noeud 202. Selon ce deuxième mode de réalisation, les deux bornes 8,9 de l'élément passif 7 sont respectivement 20 connectées au premier 201 et au deuxième 202 noeuds. Les connexions des bornes 8,9 et des noeuds 201,202 pourront être faites selon les procédés habituels de fabrication d'interconnexions métalliques, au cours de l'élaboration du transistor HEMT 120. 25 Dans ce type de montage cascode, l'élément passif 7 présentera préférentiellement une résistance de l'ordre de quelques centaines de kilo-ohms à quelques méga-ohms. La configuration en serpentin de l'élément passif 7 pourra avantageusement être mise en oeuvre. 30 Selon un troisième mode de réalisation de l'invention, le dispositif 110 forme également un montage cascode comprenant un transistor HEMT 120 et un transistor MOS 121 ; la configuration de connexion de l'élément passif 7 est néanmoins différente du 35 mode de réalisation précédent. Des deuxièmes électrodes (de source 31, de drain 41 et de grille 51) font partie du transistor MOS 121 et les premières électrodes font partie du transistor HEMT 120. Comme illustré sur la figure 6, la deuxième électrode de drain 41 est connectée 40 à la première électrode de source 3 (ou encore connectée au plot 3051977 10 de connexion de source 30), formant un premier noeud 201. La deuxième électrode de source 31 est connectée à la première électrode de grille 5 (ou encore connectée au plot de connexion de grille 50), formant un deuxième noeud 202. Selon ce quatrième 5 mode de réalisation, les deux bornes 8,9 de l'élément passif 7 sont respectivement connectées à la deuxième électrode de grille 51 et au deuxième noeud 202. En pratique, dans ce mode de réalisation, la connexion de la borne 9 et du noeud 202 pourra être faite au cours de 10 l'élaboration du transistor HEMT 120 par des procédés classiques d'interconnexions métalliques. La borne 8 quant à elle sera connectée à un plot 203 au cours de l'élaboration du transistor HEMT 120, toujours par des procédés d'interconnexions métalliques ; ce plot 203 sera ensuite électriquement connecté à 15 la deuxième électrode de grille 51 lors de l'assemblage du transistor HEMT 120 et du transistor MOS 121. Dans ce troisième mode de réalisation, l'élément passif 7 a pour rôle de décharger la capacité de la grille 51 du transistor MOS 121 en cas de défaillance de celle-ci (par 20 exemple, déconnexion de la grille 51 au niveau du boitier de packaging, entrainant une perte de contrôle de l'interrupteur du dispositif cascode). L'élément passif 7 présentera préférentiellement une résistance de l'ordre de quelques centaines de kilo-ohms à quelques méga-ohms. La configuration en 25 serpentin de l'élément passif 7 pourra avantageusement être mise en oeuvre. Selon un quatrième mode de réalisation de l'invention, le dispositif 110 comprend un transistor HEMT et un élément passif 30 7 formant un capteur de température. L'élément passif 7 est, comme décrit précédemment, formé dans la couche active 1 par un segment de couche 2DEG 2, en dehors de la région active 10. Dans le dispositif final, les deux bornes 8,9 ne sont reliées à aucun plot de connexion des transistors, elles sont reliées à des 35 plots de mesure sur lequel une prise de contact pourra être faite à l'extérieur du boitier de packaging. La résistance du l'élément passif 7 variant avec la température, une mesure de résistance entre les bornes 8,9, c'est-à-dire sur les plots de mesure externes, permet de déduire une valeur de température. 40 3051977 11 Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l'invention tel que défini 5 par les revendications. REVENDICATIONS1. Dispositif (110) comprenant : - Une couche active (1) comportant un empilement de couches (la,lb) apte à développer une couche de gaz d'électrons à deux dimensions (2) ; - Une première électrode de source (3) et une première électrode de drain (4) chacune en contact avec la couche active (1), une région active (10) s'étendant entre la première électrode de source (3) et la première électrode de drain (4) ; - Une première électrode de grille (5) entre les premières électrodes de source (3) et de drain (4) ; Le dispositif (110) étant caractérisé en ce qu'il comprend au moins un élément passif (7) formé dans la couche active (1) par un segment de la couche de gaz d'électrons à deux dimensions (2), en dehors de la région active (1), et présentant deux bornes (8,9). 2. Dispositif (110) selon la revendication précédente, dans lequel l'empilement de couches (la,lb) est formé en matériaux semi-conducteurs du groupe III-V. 3. Dispositif (110) selon la revendication précédente, dans lequel les matériaux semi-conducteurs du groupe III-V sont choisis parmi le GaN et ses alliages AlGaN, le GaAs et ses composés. 4. Dispositif (110) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'élément passif (7) est une résistance. 5. Dispositif (110) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'élément passif (7) se présente, dans le plan de la couche active (1), sous la forme d'un serpentin défini par isolation latérale. 6. Dispositif (110) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'élément passif (7) est relié à au moins une 3051977 13 première électrode (3,4,5) du dispositif (110) par au moins une de ses bornes (8,9). 7. Dispositif (110) selon l'une des revendications précédentes, 5 dans lequel l'élément passif (7) est connecté en série avec la première électrode de grille (5). 8. Dispositif (110) selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel l'élément passif (7) forme un capteur de température 10 en ce qu'une mesure de résistance à ses bornes (8,9) permet de déduire une valeur de température. 9. Dispositif (110) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les premières électrodes (3,30 ; 4,40 ; 5,50) 15 font partie d'un transistor HEMT. 10. Dispositif (110) selon l'une des revendications 1 à 5, formant un montage cascode dans lequel des deuxièmes électrodes (31,41,51) font partie d'un transistor MOS (121) 20 et les premières électrodes (3,30 ;4,40 ;5,50) font partie d'un transistor HEMT (120), comprenant : - une deuxième électrode de drain (41) connectée à la première électrode de source (3,30), formant un premier noeud (201) ; 25 - une deuxième électrode de source (31) connectée à la première électrode de grille (5,50), formant un deuxième noeud (202) ; - une deuxième électrode de grille (51) ; - et dans lequel les deux bornes (8,9) de l'élément passif 30 (7) sont respectivement connectées au premier (201) et au deuxième (202) noeud. 11. Dispositif (110) selon l'une des revendications 1 à 5, formant un montage cascode dans lequel des deuxièmes 35 électrodes (31,41,51) font partie d'un transistor MOS (121) et les premières électrodes (3,30 ;4,40 ;5,50) font partie d'un transistor HEMT (120), comprenant : - une deuxième électrode de drain (41) connectée à la première électrode de source (3,30), formant un premier noeud (201) ; 3051977 14 - une deuxième électrode de source (31) connectée à la première électrode de grille (5,50), formant un deuxième noeud (202) ; - une deuxième électrode de grille (51) ; 5 - et dans lequel les deux bornes (8,9) de l'élément passif (7) sont respectivement connectées à la deuxième électrode de grille (51) et au deuxième noeud (202). 10