Étude de la fabrication de nouveaux composants à base de Nitrure de Gallium (GaN) pour les applications de puissance

Study of the fabrication of new devices based on Gallium Nitride (GaN) for power applications

• Auteur / Autrice : Martin Jouk
• Direction : Yvon Cordier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Nice
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dislocations dans les métaux

Dépôt en phase vapeur par organométalliques

Transistors

Nitrure de gallium

Résumé

Le Nitrure de Gallium (GaN) possède une grande largeur de bande interdite (3. 4eV), une densité de porteurs intrinsèques extrêmement faible, une vitesse de saturation des électrons importante ainsi qu’un fort champ de claquage fonctionnant sous fortes puissances et hautes tensions. Alors que des transistors HEMT’s (High Electron Mobility Transistors) hyperfréquences AlGaN/GaN sont déjà présents sur le marché, aucun transistor haute tension à base de GaN n’a encore été commercialisé. Pour les applications haute puissance/haute tension, les architectures verticales possèdent un meilleur compromis entre tension de claquage, résistance à l’état passant et surface utilisée par rapport aux architectures latérales. Le but de cette thèse est de développer les principales étapes nécessaires à la fabrication d’un transistor HEMT vertical à base de GaN. Dans cette thèse, nous démontrons la croissance pleine plaque de structures GaN (comprenant des Couches de Blocages du Courant) caractérisées par une surface lisse comme requis pour l’obtention d’un gaz 2D hautement conducteur à l’interface AlGaN/GaN. Nous décrivons également la réalisation de gravures profondes satisfaisantes de structures GaN par RIE. Enfin, malgré la non-uniformité du profil du matériau sélectivement déposé, nous avons trouvé des paramètres de croissance sélective compatibles avec le fonctionnement et la fabrication du transistor GaN vertical. Le défi principal restant pour la fabrication de HEMTs GaN verticaux très performants consiste à obtenir des Couches de Blocage du Courant encore plus isolantes (et sur substrat Silicium).

Gallium Nitride wide bandgap (3. 4eV), low intrinsic carrier concentration, high electron saturation velocity and high electric breakdown field (3,3 MV/cm) makes this material very appealing for high power/high voltage applications. While high power Radio Frequency AlGaN/GaN HEMTs (High Electron Mobility Transistors) are already commercially available, high voltage switches made of Gallium Nitride have not been released yet. For high power/high voltage applications, vertical architecture has proven to be superior to lateral architectures due to an improved tradeoff between breakdown voltage and specific on-state resistance. The goal of this thesis is to develop the technological steps requires for the fabrication of a GaN vertical HEMT (High Electron Mobility Transistor). In this thesis, we demonstrate the growth of GaN structures with embedded Current Blocking Layers that are characterized by a smooth surface as required for obtaining a highly conductive 2D gas as the GaN/AlGaN interface. We also describe the realization of satisfying deep etches of GaN structures by Reactive Ion Etching. Finally, despite the non-uniformity of the selectively grown material, we have found selective growth parameters compatible with the fabrication and operation of the vertical GaN HEMT. The main hurdle remaining for the fabrication of vertical GaN HEMTs with high performances consists in obtaining Current Blocking Layers with improved characteristics.