Caractérisation avancée par rayons X pour le développement de transistors de puissance basse consommation

Advanced X-ray characterization for the development of low consumption power transistors

• Auteur / Autrice : Victor Yon
• Direction : Patrice Gergaud, Emmanuel Nolot, Matthew Charles
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des matériaux
• Date : Soutenance le 19/02/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Hubert Renevier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Maud Nemoz, Magali Morales
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Durand, Alexandre Boulle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayons X -- Diffraction

Propriétés physico-chimiques

Nitrure de gallium

Composés semiconducteurs

Mots clés libres

Caracterisation

GaN

Puissance

Transistors

Gradient de contraintes

Dislocations traversantes

Characterization

GaN

Power

Transistors

Stress gradient

Threading dislocations

Résumé

Le CEA-Leti développe des composants de puissance à haut rendement énergétique à base de semi-conducteurs III-N (GaN, AlGaN, InGaN…), en particulier via un partenariat avec ST Microelectronics. Afin de minimiser les coûts et améliorer la compatibilité avec les standards de l’industrie microélectronique, le CEA-Leti a fait le choix d’élaborer des films minces de GaN hétéro-épitaxiés sur substrat de silicium. Cependant, ces deux matériaux présentent d’importants écarts de coefficient de dilation thermique et de paramètre de maille. Il en résulte des couches de GaN affectées par de forts gradients de contraintes mécaniques et de densité de dislocations dans leur épaisseur. Le niveau de performance des composants et la fragilité des plaques étant intimement lié à la qualité cristalline et à l’état de contrainte de ces films minces, il est important de disposer d’outils de métrologie performants, rapides et non destructifs. A ce titre, les travaux de cette thèse se concentrent sur l’étude de couches de GaN par diffraction de rayons X (DRX), technique reconnue et largement employée pour l’analyse de films épitaxiés. L’effet du gradient de contraintes sur les mesures de DRX est un élargissement asymétrique des pics de diffraction. Afin d’extraire ce gradient, nous suggérons de reproduire le signal de DRX expérimental par simulation de l’intensité diffractée par un cristal déformé. Une bonne adéquation entre simulations et mesures expérimentales est obtenue lorsque l’on modélise les variations locales du profil de déformation le long du plan de surface. Afin de quantifier les dislocations traversant les couches de GaN, nous proposons une méthodologie simple, basée sur la mesure du champ de micro-déformations entourant les dislocations. L’étude montre comment utiliser ce type de mesure dans les couches de GaN à fort gradient de contraintes. En outre, les résultats sont comparés aux densités de dislocations obtenues par des méthodes de caractérisation alternatives, telles que la microscopie électronique en transmission, la cathodoluminescence ou la DRX via l’analyse de la désorientation du réseau cristallin. Les études du gradient de contraintes et de la densité de dislocations, initialement menées sur des empilements complets de couches III-N, sont éclairées à l’aune de mesures en profondeur sur des films de GaN gravés progressivement.

CEA-Leti develops power electronics components with high energy efficiency, based on semiconductors of the III-N group (GaN, AlGaN, InGaN…), in particular in partnership with ST microelectronics. In order to minimize the costs and improve the compatibility with the standards of microelectronics industry, CEA-Leti chose to produce epitaxial thin films of GaN grown on silicon substrates. However, these two materials have large mismatches of coefficient of thermal expansion and lattice parameter. The resulting GaN layers are affected by strong gradients of mechanical stress and dislocation density throughout their thickness. As component performances and wafer fragility are linked to crystalline quality and stress state of these thin films, it is important to have access to effective, rapid and non-destructive metrology tools. To this end, this PhD focuses on the study of GaN layers by X-ray diffraction (XRD), which is an acknowledged and widely used technique for the analysis of epitaxial films. The effect of stress gradient on XRD measurements is an asymmetrical broadening of diffraction peaks. We suggest extracting this gradient by reproducing the experimental XRD signal, by means of a simulation of the diffracted intensity stemming from a distorted crystal. A good agreement between simulations and measurements is obtained when modelling local variations of the strain profile throughout the surface plane. For the quantification of dislocations extending through the thickness of GaN layers, we suggest a simple methodology, based on the measurement of the micro-strain field surrounding the dislocations. The study shows how to use this type of measurement on GaN layers with strong stress gradient. In addition, the results are compared to the dislocation densities obtained with alternative characterization techniques such as transmission electron microscopy, cathodoluminescence or XRD, via an analysis of crystal lattice misorientations. The studies of stress gradient and dislocation density, initially carried out on complete stacks of III-N layers, are enlighten by means of in-depth measurements on progressively etched films of GaN.