Épitaxie et caractérisation de l'alliage ScAlN pour dispositifs électroniques haute fréquence

Epitaxy and characterization of ScAlN alloy for high-frequency electronic devices

• Auteur / Autrice : Valentina Gallardo
• Direction : Yvon Cordier, Maxime Hugues
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Doctorat physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CRHEA - Centre de Recherche sur l'Hétéroépitaxie et ses Applications

Mots clés

Mots clés libres

Épitaxie sous jets moléculaires

Onde acoustique de surface

Alliage ScAlN

Molecular beam epitaxy

Surface acoustic wave

ScAlN alloy

Résumé

En raison de ses propriétés piézoélectriques exceptionnelles l'alliage semiconducteur ScAlN a été développé au cours des 10 dernières années pour la réalisation de capteurs et de filtres à base d'ondes acoustiques. Cet alliage s'avère également intéressant pour la fabrication de transistors capables de fonctionner à des fréquences élevées. En effet, grâce à la forte polarisation électrique induite à l'interface des hétérostructures ScAlN/GaN, il est possible de générer des gaz d'électrons avec des densités supérieures à 3E13/cm² et ce malgré une épaisseur de la barrière bien inférieure à 10 nm. Malgré les propriétés remarquables de cet alliage la première démonstration d'un transistor RF de type HEMT (high electron mobility transistor) à base de ScAlN date finalement que de 2017. Au CRHEA cette activité a débuté en 2020 et des transistors avec des performances encourageantes ont déjà été obtenus, notamment sur un substrat de silicium (le standard en électronique) mais qui est une première avec cet alliage. Dans ce contexte, le projet TWINS, financé par l'Agence Nationale de la Recherche (ANR), regroupe le CRHEA, l'Institut Jean Lamour et l'IEMN. La finalité de ce projet consiste à combiner un transistor HEMT ScAlN/GaN et une structure à onde acoustique de surface (SAW) afin de réaliser un filtre ajustable en fréquence opérant dans la gamme 3-10 GHz. L'approche proposée dans ce projet est totalement novatrice et elle nécessite dans un premier temps d'optimiser l'élaboration mais aussi de caractériser les performances des deux briques de bases (transistor et filtre SAW). Dans un second temps, différentes approches d'intégration monolithiques seront étudiées afin de proposer un filtre ajustable en fréquence répondant aux exigences des télécommunications 5G. Cette thèse s'intègre parfaitement dans le projet TWINS (Towards the co-integration of high frequency devices on epitaxial ScAlN). Elle portera sur l'épitaxie sous jets moléculaires de l'alliage ScAlN, et la caractérisation des hétérostructures ScAlN/GaN. L'objectif sera d'établir le lien entre conditions d'élaboration, composition des hétérostructures, et les propriétés structurales (rugosité, qualité cristalline) et électriques (densités de porteurs, présence de pièges, réponse piézoélectrique…). Pour cela, des techniques de caractérisation telles que la diffraction des rayons X, la microscopie à force atomique mais aussi la microscopie électronique en transmission seront utilisées. De plus, la fabrication de dispositifs de test avec les outils de micro-fabrication du laboratoire (lithographie UV, dépôts, gravures, recuits ; http://www.crhea.cnrs.fr/plateforme-de-technologie.htm) permettra des caractérisations électriques simples (effet Hall, mesures I-V, C-V) afin de déterminer les propriétés de ces structures. Une fois cette étape d'optimisation des composants élémentaires réalisée, différentes approches monolithiques seront imaginées, développées, et étudiées afin de déterminer celle offrant les meilleures performances en termes de filtre ajustable. Ces travaux seront réalisés au CRHEA (Université Côte d'Azur, CNRS, Valbonne, 06) mais en étroite collaboration avec les laboratoires partenaires du projet.

Due to its exceptional piezoelectric properties, ScAlN semiconductor alloy has been developed over the last 10 years to produce sensors and filters based on acoustic waves. This alloy is also interesting to elaborates transistors capable to operate at high-frequencies. Indeed, thanks to the strong polarization fields induced at the interface of the ScAlN/GaN heterostructures, it is possible to generate two-dimensional electron gases with densities larger than 3E13/cm² even for a barrier thickness below 10 nm. Despite the remarkable properties of this alloy, the first demonstration of an RF transistor based on ScAlN HEMT (high electron mobility transistor) structure only dates back to 2017. At CRHEA this activity began in 2020 and transistors with promising performances have already been obtained, notably on a silicon substrate (the standard in electronics) but it was a first with this relatively new alloy. In this context, the project TWINS funded by the National Research Agency (ANR) brings together the CRHEA, the Jean Lamour Institute and the IEMN. The main idea of this project consists of combining a ScAlN/GaN HEMT transistor and a surface acoustic wave (SAW) structure in order to produce a frequency adjustable filter operating in the 3-10 GHz range. The approach proposed is innovative and it requires a complete optimization of the growth conditions for relatively thick (400-600nm) ScAlN alloy. This first step will allow the performance characterisation of the two individual building blocks (transistor and SAW filter). Secondly, different monolithic integration approaches will be studied in order to propose thee most efficient frequency-adjustable filter in accordance with the requirements of 5G telecommunications. The thesis is fully integrated to the project TWINS (Towards the co-integration of high frequency devices on epitaxial ScAlN). It will focus on molecular beam epitaxy of the ScAlN alloy, and the characterization of ScAlN/GaN heterostructures. The objective will be to establish the links between the growth conditions, the alloy thickness and composition, and the structural (roughness, crystalline quality) and electrical properties (carrier densities, presence of traps, piezoelectric response, etc.). For that purpose, characterization techniques such as X-ray diffraction, atomic force microscopy but also transmission electron microscopy will be used. In addition, the fabrication of test devices using the micro-fabrication tools of the CRHEA cleanroom (UV lithography, deposition, engraving, annealing (http://www.crhea.cnrs.fr/plateforme-de-technologie.htm ) will allow several electrical characterizations (Hall effect, I-V, C-V measurements) to determine the properties of these structures. After the optimisation of the elementary device elaboration, different monolithic approaches will be imagined, developed, and studied in order to determine the one offering the best frequency-adjustable filter performances. These works will be carried out at CRHEA (Université Côte d'Azur, CNRS, Valbonne, 06) but in close collaboration with the project's partner laboratories.