L’évolution des utilisations du GaN
La première synthèse de nitrure de gallium (GaN) a été réalisée dans les années 30 par deux chercheurs, Juza et Hahn. Le procédé consistait à cette époque à faire réagir de l’ammoniac sur du gallium à haute température [7]. Par la suite, différents travaux ont été menés pour améliorer la fabrication du GaN et étudier ses propriétés. Le développement des techniques de croissance dites « en phase vapeur », qui consistent en la réaction sur un substrat de précurseurs amenés par un gaz vecteur, permirent à Maruska et Tietjen en 1969, de réaliser la première croissance de GaN, sur un substrat en saphir, selon un procédé d’épitaxie à base d’organométallique (Metalorganic Chemical Vapor Deposition MOCVD) [8]. Cette découverte est importante, puisqu’elle préfigure les techniques d’épitaxies utilisées aujourd’hui pour la synthèse du GaN. Les recherches de Yoshida et al. en 1983 ont contribué à l’amélioration de la qualité cristalline du GaN [9]. Ces chercheurs ont été les premiers à utiliser deux étapes lors de la croissance avec une première couche de nucléation d’AlN entre le GaN et le saphir. Cette méthode a ensuite été améliorée par Amano et al. et appliquée aux croissances par MOCVD [10]–[12]. Aujourd’hui, pour des raisons économiques et pratiques, le substrat saphir a été remplacé par un substrat silicium, mais la couche de nucléation d’AlN est toujours utilisée. Les chercheurs réussirent également à réaliser la première croissance de GaN dopé positivement, en utilisant un procédé de dopage avec du magnésium. Le dopage du GaN est également une découverte déterminante pour la fabrication de certains types de transistors de puissance, encore utilisés aujourd’hui. Au début des années 90, Khan et al. [13] mirent en évidence la formation d’un gaz bidimensionnel d’électrons (2DEG) dans les hétérostructures AlGaN/GaN sur un substrat saphir. Le gaz bidimensionnel va devenir l’élément clé pour la réalisation de transistors à base de GaN: en 1993 fut créé le premier transistor à Haute Mobilité Électronique HEMT [14]. Dans les mêmes années, Nakamura et al. développèrent leur première LED bleue à base de GaN et d’InGaN [15]. Ce travail fut le point de départ de la commercialisation de LED et de diode laser. Ces chercheurs ont reçu en 2014 le prix Nobel de physique pour leurs travaux. Depuis quelques années le matériau GaN connaît un essor de son utilisation dans différents domaines, comme les utilisations hautes fréquences, l’optique et l’électronique de puissance. réalisée par un cabinet d’étude spécialisé, présente les estimations de marché pour les technologies GaN de puissance. Selon leur prévision, l’électronique de puissance à base de GaN pourra peser 450 millions de dollars d’ici 2022. En se référant à la part du marché actuelle, on aurait une hausse de plus de 400% en quatre ans.
De nombreux acteurs se sont lancés sur ces marchés . Le GaN attire des entreprises importantes en microélectronique. Parmi eux on retrouve un acteur incontestable de ce milieu : TSMC. D’autres entreprises, polyvalentes en microélectronique s’intéressent au GaN, tels que STMicroelectronics et Infineon. On voit également apparaître de plus en plus d’entreprises spécialisées, qui ne font que du GaN tels que Exagan, GaN systems et EpiGaN.
Malgré le fait que les technologies GaN aient une maturité suffisante pour être commercialisées, de nombreux défis restent à relever pour permettre le développement et l’amélioration de ces dispositifs. Avant de répondre à ce sujet de recherche, il convient de définir et de présenter les caractéristiques spécifiques à la puissance du nitrure de gallium.
La présentation des caractéristiques du GaN
Les propriétés générales du GaN
La structure cristallographique
Le GaN et ses alliages tertiaires comme l’AlGaN peuvent cristalliser sous deux formes différentes : soit avec une maille hexagonale et une structure de type würtzite, soit avec une maille cubique et une structure de type zinc-blende.Les phases cubiques sont métastables et sont donc peu utilisées, c’est pourquoi les structures würtzite sont plus couramment étudiées. Dans les deux structures, la maille élémentaire est composée d’un atome de gallium (ou d’un atome métallique dans le cas d’un alliage tertiaire) entouré par quatre atomes d’azote, reliés par des liaisons ioniques. Tout au long de ce manuscrit, les travaux se concentreront sur l’étude du GaN hexagonal. Les paramètres de mailles pour cette structure würtzite sont a = 3,189Å et c = 5,185Å[16].
L’effet de polarisation spontanée
Les cristaux ayant une structure de type würtzite, comme le GaN et l’AlGaN, sont des matériaux pyroélectriques. Un changement de température du cristal induit dans celui-ci un champ électrique temporaire, et à l’inverse, un champ électrique appliqué au cristal y induira un changement de température [18]. Cette polarisation est due à l’absence de centrosymétrie de la structure ainsi qu’à la différence d’électronégativité entre les atomes d’azote et de gallium. Ainsi, le barycentre des charges positives et négatives le long de la liaison Ga-N ne se superposent pas. Dans la maille élémentaire, cela se traduit par l’apparition d’un dipôle électrique selon l’axe c. Cette polarisation spontanée se compense au niveau de chaque maille élémentaire à l’intérieur du cristal massif, pour finalement ne laisser que des charges surfaciques qui ne sont pas compensées. On voit ainsi apparaître deux plans de charges de signes opposés, d’un côté et de l’autre du cristal. A cause de la formation de ce dipôle électrique le long de la liaison Ga-N, les directions [0001] et [000-1] dans la structure ne sont pas équivalentes. La direction [0001] se définit selon le sens du gallium vers l’azote. La direction [000-1] est définie selon le sens de l’azote vers le gallium. Lorsque la croissance se fait selon l’axe c, on parle de polarité Ga, pour les structures orientées selon [0001] et de polarité N, pour les structures orientées selon [000-1]. Nous pouvons observer que ces désignations se réfèrent à l’orientation et pas nécessairement aux atomes terminaux en surface du cristal. La croissance d’une structure face-Ga ou face-N aura une influence sur les propriétés chimique, morphologique et électrique de la surface du GaN, et notamment sur la formation d’un gaz bi-dimensionnel dans une hetérostructure AlGaN/GaN . Lors d’une croissance de GaN sur Si par épitaxie MOCVD, la polarité Ga est la plus importante. Il sera ainsi considéré dans la suite de ce manuscrit que les structures étudiées seront de polarité Ga.
Bien que la polarisation pyroélectrique spontanée soit importante dans le GaN, les constantes pyroélectriques sont faibles. Cela se traduit par une variation faible de la polarisation pyroélectrique et donc du champ électrique interne avec la température, notamment dans la gamme de température d’utilisation des transistors pour l’électronique de puissance [18]. La pyroélectricité implique obligatoirement la piézoélectricité, c’est à dire la création de champs électriques par la déformation physique du cristal. A l’inverse, lorsqu’un champ électrique est appliqué au cristal, celui-ci se déforme.
La structure de bande
Outre le fait que le GaN possède une polarisation spontanée due à sa structure cristalline, ce matériau possède des propriétés électriques intéressantes. Il fait partie des matériaux à grand gap, c’est-à-dire qui ont une largeur de bande interdite, nommé Eg, supérieure à 1eV. Cette largeur est définie comme l’écart entre la bande de conduction Ec et la bande de valence Ev, et décrit l’énergie à apporter aux électrons pour qu’ils passent de l’une à l’autre. Dans le cas du GaN, cet écart est de 3,4 eV à 300k [19]. De plus, le gap du GaN est un gap direct. C’est-à-dire que l’état de plus haute énergie de la bande de valence et l’état de plus basse énergie de la bande de conduction, entre lesquels la transition électronique est la plus favorable car de plus faible énergie .
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Table des matières
Chapitre I – Introduction
I. Le contexte
I.A L’électronique de puissance
I.B L’évolution des utilisations du GaN
II. La présentation des caractéristiques du GaN
II.A Les propriétés générales du GaN
II.A.1 La structure cristallographique
II.A.2 L’effet de polarisation spontanée
II.A.3 La structure de bande
II.A.4 Le champ de claquage
II.B La formation du gaz bi-dimensionel (2DEG) et ses propriétés
II.B.1 La polarisation spontanée
II.B.2 La polarisation piézoélectrique
II.B.3 La concentration électronique dans le 2DEG
II.B.4 La mobilité électronique
III. Les dispositifs en électronique de puissance
III.A La formation de transistors normally-off
III.B Enchaînement des étapes de réalisation d’un MOS-HEMT
III.B.1 Description d’un MOS-HEMT
III.B.2 Etape de fabrication de la grille
III.B.3 Etapes de fabrication des contacts
IV. La gravure
IV.A L’évolution de la gravure en microélectronique
IV.B Le plasma en microélectronique
IV.C La gravure plasma
IV.C.1 La gravure chimique
IV.C.2 La gravure physique
IV.C.3 La gravure RIE
IV.D Les gravures RIE pour les applications puissance
IV.D.1 La gravure du SiN par chimies fluorées
IV.D.2 La gravure du GaN par chimie chlorée
V. Les défis liés aux gravures plasma lors de la réalisation d’un HEMT
V.A Les dégradations induites
V.A.1 Durant la gravure physique
V.A.2 Durant un plasma fluorocarboné
V.A.3 Durant un plasma chloré
V.B Les solutions développées
V.B.1 Gravure par plasma pulsé
V.B.2 Gravure à basse température électronique
V.B.3 Gravure par Atomic Layer Etching
VI. Les objectifs de la thèse
VII. Bibliographie
Chapitre II – Techniques et dispositifs expérimentaux
I. Présentation de la fabrication des échantillons
I.A Etapes d’épitaxie
I.B Formation de motifs
II. Présentation des équipements de gravure
II.A Équipement de gravure plasma RIE : plateforme Centura, réacteur DPSII
II.B Équipement de gravure plasma RIE : Plateforme LAM Versys, réacteur Kiyo45
II.C Équipement de gravure plasma par pulvérisation : Ionfab 300
II.D Équipement de gravure plasma par radicaux : Allegro CDE-300
II.E Gravure humide par bain d’HF sur paillasse
III. Équipements de caractérisation électrique
IV. Équipements de caractérisation physico-chimique
IV.A Spectroscopie de photoélectrons X (XPS)
IV.A.1 Principe
IV.A.2 Dispositifs expérimentaux
IV.A.3 Détermination de la composition chimique
IV.B Microscopie électronique à balayage (MEB)
IV.C Microscopie électronique par transmission (TEM)
IV.D Microscopie à force atomique (AFM)
IV.E Réflectométrie de rayons X (XRR)
IV.F Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR)
IV.G Diffractométrie de rayons X (DRX)
V. Logiciel de simulation SRIM
VI. Bibliographie
Chapitre III – Étude des mécanismes de dégradation de l’AlGaN lors de l’ouverture de la passivation en nitrure de silicium
I. Etude de l’impact électrique des paramètres plasma
I.A Etude de la dégradation électrique en fonction des gaz
I.A.1 Evaluation des dégradations électriques en fonction des gaz
I.A.2 Caractérisation de la composition chimique par XPS
I.A.3 Caractérisation du spectre UV du plasma
I.A.4 Simulation d’implantation d’ions dans l’AlGaN
I.B Étude de la dégradation électrique en fonction du bias
I.B.1 Evaluation des dégradations électriques en fonction du bias
I.B.2 Caractérisation de la composition chimique par XPS
I.B.3 Caractérisation de la composition chimique en extrême surface par XPS angulaire
I.B.4 Caractérisation de l’épaisseur de l’AlGaN par XRR
I.B.5 Caractérisation de la cristallinité de l’AlGaN par DRX
I.B.6 Mesure de la couche amorphe surfacique par TEM
I.B.7 Mesure de rugosité de l’AlGaN par AFM
I.B.8 Approfondissement de la compréhension par simulations d’implantations
I.C Etude de la dégradation électrique en fonction de la sur-gravure
I.C.1 Evaluation des dégradations électriques en fonction de la sur-gravure
I.C.2 Caractérisation de la composition chimique par XPS
I.D Etude de la dégradation électrique en fonction du masque de gravure
I.D.1 Mesure Rsheet
I.D.2 Mesure par ellipsométrie de la consommation du masque
I.D.3 Mise en évidence par mesure FTIR de la perte d’hydrogène durant le plasma
I.D.4 Simulation d’implantation d’élément dans de l’AlGaN
II. Etude complémentaire sur l’impact électrique de la gravure chimique et de la gravure physique
II.A Evaluation de l’impact d’une gravure physique
II.B Evaluation de l’impact d’une gravure chimique
II.B.1 Par un plasma délocalisé
II.B.2 Par une gravure humide
III. Proposition de mécanisme de dégradation
IV. Bibliographie
Chapitre IV – Procédé cyclique pour la gravure du GaN
Chapitre V – Conclusion
