Étude d'héterostructures HEMT ScAlN/GaN élaborées par épitaxie sous jets moléculaires assistée ammoniac

Study of ScAlN/GaN HEMT heterostructures grown by ammonia assisted molecular beam epitaxy

• Auteur / Autrice : Caroline Elias
• Direction : Yvon Cordier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 18/12/2023
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche sur l'hétéro-épitaxie et ses applications (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Lorenzini
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yvon Cordier, Philippe Lorenzini, Xavier Wallart, Magali Morales, Stefano Leone, Maria Tchernycheva, Maxime Hugues
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Xavier Wallart, Magali Morales

Mots clés

Mots clés contrôlés

Semiconducteurs

Hétérostructures

Transistors

Épitaxie par faisceaux moléculaires

Mots clés libres

Nitrure de scandium aluminium (ScAlN)

Epitaxie sous jets moléculaires (EJM)

Transistor à haute mobilité électrique

Hétérostructures

Semiconducteurs nitrures d’ éléments III

Scandium aluminum nitride (ScAlN)

Molecular beam epitaxy (MBE)

High electron mobility transistor (HEMT)

Heterostructures

III-nitride semiconductors

Résumé

L'alliage ScAlN est un semiconducteur III-N à large bande interdite connu pour ses propriétés piézoélectriques remarquables. Ses propriétés de polarisation spontanée et piézoélectrique sont également intéressantes pour la réalisation d'hétérojonctions avec le GaN en vue de fabriquer des transistors à haute mobilité électronique (HEMTs). Dans ces hétérojonctions, remplacer le matériau barrière AlGaN habituellement utilisé par ScAlN présente plusieurs avantages, parmi lesquels la possibilité de générer des gaz bidimensionnels d'électrons (2DEGs) avec des densités bien plus importantes. En corolaire, ceci permet de maintenir de grandes densités de porteurs dans les canaux des HEMTs même avec des barrières ScAlN de très faible épaisseur (quelques nanomètres), ce qui en retour permet de conserver des résistances d'accès faibles, des courants de saturation élevés tout en limitant les effets de canal court dans les transistors à grille submicronique des amplificateurs de puissance hyperfréquence. Aussi, l'alliage Sc0.18Al0.82N étant adapté en paramètre de maille avec GaN, la possibilité de réduire notablement les contraintes mécaniques liées au désaccord de paramètre de maille est un atout pour améliorer la fiabilité des composants.Cependant, pour bénéficier de tous ces avantages il est nécessaire de maitriser la croissance cristalline de l'alliage ScAlN sur un film de GaN afin d'obtenir des hétérojonctions présentant la meilleure qualité cristalline possible et le comportement électrique recherché. La littérature récente a rapporté des résultats encourageants au sujet de la croissance d'hétérostructures HEMTs ScAlN/GaN par épitaxie sous jets moléculaires assistée par plasma et de la croissance par épitaxie en phase vapeur aux organo- métalliques. Dans cette thèse, nous nous intéressons à la croissance par épitaxie sous jets moléculaires à l'ammoniac, technique que le laboratoire maitrise depuis plus de vingt ans pour les composés GaN et AlGaN. Pour la première fois à notre connaissance, des alliages ScAlN ont été épitaxiés sur GaN au moyen de cette technique. L'effet de la température de croissance a tout d'abord été étudié pour des films de 25nm d'épaisseur dans une gamme allant de 600°C à 800°C. Un optimum en termes de qualité cristalline est atteint pour 670°C, alors que la teneur en scandium autour 14% et l'épaisseur varient peu à la différence de ce qui est rapporté au sujet de l'épitaxie assistée par plasma. Différentes épaisseurs de barrière allant de 5 à 55 nm ont été étudiées et ont permis d'obtenir une densité maximale de charges dans le 2DEG, autour de 4x1013/cm2 pour une barrière épaisse de 15 nm et 2x1013/cm2 malgré une épaisseur nominale réduite à 5 nm. Les mesures XPS, SIMS et la tomographie par sonde atomique ont confirmé l'absence d'hétérogénéité de composition dans l'alliage. Cependant, la diffraction des rayons X et la microscopie électronique en transmission révèlent la présence d'une épaisseur critique à partir de laquelle des modulations du paramètre de maille apparaissent. Aussi, cette épaisseur critique diminue pour des films contenant des teneurs en scandium autour de 22% et 30%.Nous sommes parvenus à élaborer des hétérostructures HEMTs ScAlN/GaN sur des couches tampons développées d'une part sur substrat silicium et d'autre part sur des tremplins GaN/saphir. Nos réalisations technologiques comprennent l'établissement de contacts ohmiques avec des résistances acceptable (Rc~1 Ω.mm), la fabrication de diodes, de transistors délivrant des courants de drain jusqu'à plus de 1A/mm et des motifs de van der Pauw. Les mesures d'effet Hall réalisées sur ces derniers ont permis d'obtenir une densité d'électrons allant de 2 à 3 x1013/cm2 dans le 2DEG, associée à une mobilité de 500-600 cm2/V.s dans le cas des HEMTs épitaxiés sur silicium. D'autre part, une des structures épitaxiées sur saphir présente des densités de porteurs similaires mais avec une mobilité électronique légèrement améliorée (~ 740 cm2/V.s).

ScAlN is a wide bandgap III-Nitride semiconductor well known for its piezoelectric properties. Its spontaneous and piezoelectric polarisation properties are also interesting for achieving heterojunctions with GaN in view of fabricating high electron mobility transistors (HEMTs). In these heterojunctions, the replacement of the AlGaN alloy by ScAlN presents several advantages, among them the possibility to generate two-dimensional electron gases (2DEGs) with much more carriers. It permits also to maintain a high carrier density in the channel of HEMTs with ScAlN barriers as thin as few nanometers, which allows to keep low access resistances and large saturation currents while limiting short channel effects in the submicron gate length transistors of millimeter-wave power amplifiers. Furthermore, the Sc0.18Al0.82N alloy is lattice matched with GaN, which means that noticeably reduced stress can be induced in the devices, an advantage for their reliability.However, to benefit all these advantages, the good control of the crystal growth of ScAlN alloy on GaN is necessary in order to obtain heterojunctions with the best crystal quality and the desired electrical behavior. Recent literature has reported encouraging results on ScAlN/GaN HEMTs grown by plasma- assisted molecular beam epitaxy and metalorganic vapor phase epitaxy. In this thesis, we studied the ammonia-source molecular beam epitaxy, a technique mastered in the laboratory since more than twenty years for GaN and AlGaN compounds. For the first time to our knowledge, ScAlN alloys have been grown on GaN with this technique. The effect of growth temperature has been studied first on relatively thick (25 nm) films in the 600°C to 800°C range. An optimal structural quality has been obtained for a growth temperature around 670°C, whereas the amount of scandium around 14% and the thickness vary very slightly in comparison to what was reported with plasma-assisted molecular beam epitaxy. Then, the effect of barrier thickness on 2DEG concentration has been studied. A maximum concentration around 4x1013/cm2 has been obtained for a thickness of 15 nm and it remained close to 2x1013/cm2 for a nominal thickness of 5 nm. XPS, SIMS and atom probe tomography confirmed the absence of heterogeneities in alloy composition. However, X-ray diffraction and transmission electron microscopy revealed the presence of a critical thickness beyond which crystal lattice parameter modulations appear. Furthermore, this critical thickness is reduced for films grown with scandium amounts around 22% and 30%.We succeeded in elaborating ScAlN/GaN HEMTs on buffer layers developed in one hand on silicon substrates, and in the other hand on GaN-on-sapphire templates. Our technological work consisted in the achievement of ohmic contacts with acceptable resistances (Rc~1 Ω.mm), the device isolation with mesa etching, the fabrication of diodes, van der Paw patterns and transistors able to deliver drain current density superior to 1 A/mm. Hall effect measurements performed on Van der Paw devices confirmed the high carrier concentration of 2 to 3 x1013/cm2 associated to a mobility of 500-600 cm2/V.s in the 2DEGs of HEMTs grown on silicon. HEMTs grown on GaN-on-sapphire exhibited similar carrier densities with slightly enhanced mobility (~740 cm2/V.s).