Nanocaractérisation chimique fine de structures GaN pour les applications nano et optoélectroniques

Fine chemical nanocharacterisation of GaN structures for nano and opto-electronic applications

• Auteur / Autrice : Tarek Spelta
• Direction : Bérangère Hyot, Eugénie Martinez, Marc Veillerot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des matériaux
• Date : Soutenance le 23/02/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Yvon Cordier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Domenichini, Hubert Renevier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Antonino Licciardello, Muriel Bouttemy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectrométrie de masse des ions secondaires

Mots clés libres

GaN

MOSc-HEMT

Haxpes

Sims

Tem

Oxyde de gallium

GaN

MOSc-HEMT

Haxpes

Sims

Tem

Gallium oxide

Résumé

Considérant la numérisation et l’électrification de nos sociétés, le développement de dispositifs électroniques ayant une meilleure efficacité énergétique représente un aspect clé pour réduire le réchauffement climatique qui commence à montrer ses effets depuis plusieurs décennies. Une voie possible consiste à utiliser des matériaux III-N pour les convertisseurs de puissance. En effet, comme nous le verrons dans cette thèse de doctorat, les matériaux III-N et notamment le GaN, présentent des propriétés physiques considérablement plus intéressantes par rapport au silicium en électronique de puissance. Ainsi, dans cette thèse, nous présenterons des résultats sur la caractérisation chimique de l’architecture MOSc-HEMT (MOS-channel High Electron Mobility Transistor) normalement désactivée (avec un seuil de tension Vth positif) développée au CEA-LETI. Cette architecture présente un aspect innovant qui se différencie des autres structures existantes du fait de la gravure de la barrière AlGaN et partiellement du GaN sur lequel est ensuite déposé le diélectrique. Cependant, au sein du processus de fabrication de ces dispositifs, il reste encore des problèmes nécessaires à résoudre comme la présence d'impuretés liées au processus de gravure ou la présence d'oxyde de gallium. Ces deux derniers ont tendance à réduire Vth et donc à dégrader la mobilité électronique. Par conséquent, une caractérisation physico-chimique de ces structures est primordiale pour mieux comprendre et maitriser ces enjeux. Cette thèse a consisté à proposer une approche combinée de deux techniques de caractérisation chimiques que sont le SIMS et l’HAXPES pour étudier les structures HEMT enterrées (jusque sous 20 nm) afin d'étudier l'oxyde de gallium et les impuretés à l'interface Al2O3/GaN . Deux aspects ont particulièrement été étudiés (i) optimiser le développement de ces dispositifs en mettant en évidence à la présence d'oxyde de gallium GaOx présent dans les structures Al2O3/GaN jusqu'à 20 nm (ii) étudier comment l’étape de gravure modifie la surface du GaN à l'interface avec l’alumine, notamment par l’introduction d’impuretés. Pour le premier point, un échantillon de référence a été utilisé afin de réaliser diverses mesures avec SIMS et HAXPES et d'établir les meilleures conditions expérimentales pour l'analyse du GaOx dans les interfaces Al2O3/GaN enterrées. Pour le SIMS, plusieurs mesures ont été réalisées avec différents angles d'incidence et pour le HAXPES, des mesures combinées entre XPS et HAXPES ont été réalisées. Pour le deuxième point (ii), les structures Al2O3/GaN gravées et les structures Al2O3/GaN non gravées ont été prises en considération et, de la même manière que ce qui a été fait au point (i), des méthodologies de caractérisation ont été développées pour illustrer les impuretés causées par cette interface pendant le processus de gravure.

Considering the digitalization and electrification of our societies, the development of electronic devices with better energy efficiency represents a key aspect for reducing global warming, which has begun to show its effects for several decades. One possible route is to use III-N materials for power converters. Indeed, as we will see in this doctoral thesis, III-N materials and in particular GaN, present considerably more interesting physical properties compared to silicon in power electronics. Thus, in this thesis, we will present results on the chemical characterization of the MOSc-HEMT (MOS-channel High Electron Mobility Transistor) architecture normally deactivated (with a positive voltage threshold Vth) developed at CEA-LETI. This architecture presents an innovative aspect which differs from other existing structures due to the etching of the AlGaN barrier and partially of the GaN on which the dielectric is then deposited. However, within the manufacturing process of these devices, there still remain necessary problems to be resolved such as the presence of impurities linked to the etching process or the presence of gallium oxide. The latter two tend to reduce Vth and therefore degrade electronic mobility. Consequently, a physicochemical characterization of these structures is essential to better understand and master these issues. This thesis consisted of proposing a combined approach of two chemical characterization techniques, SIMS and HAXPES, to study buried HEMT structures (down to under 20 nm) in order to study gallium oxide and impurities. Al2O3/GaN interface. Two aspects were particularly studied (i) optimize the development of these devices by highlighting the presence of gallium oxide GaOx present in Al2O3/GaN structures up to 20 nm (ii) study how the etching step modifies the surface of the GaN at the interface with the alumina, in particular by the introduction of impurities. For the first point, a reference sample was used to carry out various measurements with SIMS and HAXPES and to establish the best experimental conditions for the analysis of GaOx in buried Al2O3/GaN interfaces. For the SIMS, several measurements were carried out with different angles of incidence and for the HAXPES, combined measurements between XPS and HAXPES were carried out. For the second point (ii), the etched Al2O3/GaN structures and the non-etched Al2O3/GaN structures were taken into consideration and, in the same way as what was done in point (i), characterization methodologies were used. been developed to illustrate the impurities caused by this interface during the etching process.