Nouveaux composants électroniques à base du matériau AlN pour les futures applications de puissance

New electronic components based on AlN material for future power applications

• Auteur / Autrice : Idriss Abid
• Direction : Farid Medjdoub
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
• Date : Soutenance le 12/07/2021
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
• Jury : Président / Présidente : Katir Ziouche
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abdallah Ougazzaden, Yvon Cordier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nathalie Labat, Frédéric Morancho

Mots clés

Mots clés contrôlés

Convertisseurs continu-continu

Épitaxie

Superréseaux

Transistors à effet de champ à dopage modulé

Semiconducteurs à large bande interdite

Haute tension

Nitrure de gallium

Nitrure d'aluminium

Transistors de puissance

Mots clés libres

Tension de claquage

Power transistor

GaN

High voltage

Résumé

Les semiconducteurs à large bande interdite tels que le GaN et SiC sont des matériaux de choix pour les applications de forte puissance. En effet, les propriétés du matériau GaN, notamment la haute densité et mobilité des électrons du gaz bidimensionnel des hétérostructures associées permettent de réaliser un excellent compromis entre la résistance à l’état passant (Ron) et la tension de claquage. De plus, les récents progrès en matière de croissance de GaN sur substrat silicium (111) laissent espérer l’intégration future de composants de forte puissance à bas coût avec des technologies matures de type CMOS. Afin de repousser davantage les limites des transistors à haute mobilité électronique (HEMT) en GaN pour la conversion de puissance, l’un des défis est de repousser la tenue en tension de cette filière. Dans ce cadre, nous avons, tout d’abord, étudié électriquement les couches tampons (buffer) par décomposition de l’empilement. Plusieurs hétérostructures ont été analysées dont la croissance a été stoppée à différents stades. De cette manière, nous avons été en mesure d'évaluer séparément le processus de conduction et de claquage de la couche de nucléation d'AlN, du buffer AlGaN et de l'empilement des couches jusqu'à une couche GaN dopée carbone. Une seconde étude a permis de développer un buffer à base de super-réseaux (pairs AlN/GaN ultrafins). Afin de mettre en évidence les avantages obtenus avec ce type de buffer une comparaison des caractérisations électriques avec un buffer standard a été réalisée.Ensuite, nous avons développé une approche innovante basée sur l’introduction d’une couche épaisse d’AlN au sein de tranches gravées suivie d’un dépôt par électrolyse de cuivre épais en face arrière. Le matériau AlN constitue une barrière de potentiel après le dépôt de l’électrode métallique sur la face-arrière, étape indispensable dans les convertisseurs de puissance de type DC/DC par exemple. Après avoir vérifié le bénéfice de cette solution en terme de tension de claquage, nous avons analysé son impact sur les pièges et les contraintes mécaniques.Enfin, partant du principe que l'électronique à base de matériaux à grands gaps tels que le GaN et le SiC arrivent à maturité, les matériaux à ultra large bande interdite tels que l'AlN (6,2 eV) ou l’AlGaN riche en Al, pourraient permettre de repousser les limites en tension ou en température. En outre, l'utilisation d'un buffer AlN permettrait à la fois d'augmenter le confinement des électrons dans le canal du transistor mais aussi d'améliorer la dissipation thermique. Nous avons donc mené une étude préliminaire sur différentes configurations de transistors à base d’AlN et de canaux en AlGaN.

Wide band gap semiconductors such as GaN and SiC are the materials of choice for high power applications. Indeed, the properties of GaN-based material, namely the high density and electron mobility of the two-dimensional gas of the associated heterostructures, make it possible to achieve an excellent on-state resistance (Ron) and breakdown voltage trade-off. In addition, recent progress in the growth of GaN on silicon substrate (111) paves the way for the future integration of high power, low cost devices with mature CMOS technologies. In order to further push the limits of GaN high electron mobility transistors (HEMTs) for power conversion, one of the challenges is to increase the blocking voltage of these types of devices. In this frame, we first studied the buffer layers by implementing a stack decomposition. Several heterostructures were analyzed and the growth was stopped at different stages. In this way, we were able to evaluate separately the conduction and breakdown process of the AlN nucleation layer, the AlGaN buffer and the entire layer stack including a carbon-doped GaN layer. In a second study, a buffer based on superlattices (ultrathin AlN/GaN pairs) was developed. In order to highlight the advantages obtained with this type of buffer, a comparison with a standard buffer was carried out.Then, we developed an innovative approach based on the introduction of a thick layer of AlN within etched trenches followed by a thick copper electrodeposition on the backside of devices. The AlN material provides a potential barrier after the deposition of the metal electrode. After verifying the benefit of this solution in terms of breakdown voltage, we analyzed its impact on traps and mechanical stresses.Finally, assuming that electronics based on wide bandgap materials such as GaN and SiC are maturing, ultra wide band gap materials such as AlN (6.2 eV) or Al-rich AlGaN, could allow us to further push the limits in terms of voltage or temperature. In addition, the use of an AlN buffer would both increase electron confinement in the transistor channel and improve the thermal dissipation. We therefore conducted a preliminary study on various configurations of AlN-based transistors and AlGaN channels.