Développement de briques technologiques pour la réalisation de transistor MOS de puissance en Nitrure de Gallium

par Elias Al Alam

Thèse de doctorat en Micro-nanoélectronique

Sous la direction de Frédéric Morancho et de Alain Cazarré.

Soutenue en 2011

à Toulouse 3 .


  • Résumé

    Les potentialités du nitrure de gallium (GaN), semiconducteur à large bande interdite, en font un matériau particulièrement intéressant en électronique de puissance, notamment pour des applications haute tension, haute température et haute fréquence. L'objectif de ce travail de thèse était de développer les briques technologiques nécessaires à la réalisation de transistors MOS de puissance en nitrure de gallium (GaN). Après avoir évalué, dans premier temps, les bénéfices que pourrait apporter le nitrure de gallium en électronique de puissance, nous avons en effet opté pour la réalisation d'un interrupteur MOS normally-off en GaN, interrupteur indispensable dans de nombreuses applications de l'électronique de puissance. La réalisation d'un tel dispositif passe par l'étape critique du dépôt du diélectrique de grille sur le semiconducteur, qui constitue la démarche universelle pour stabiliser et améliorer les performances d'un transistor. Le contrôle de la qualité de l'interface " diélectrique/GaN " est donc une étape fondamentale car elle influe sur les propriétés électriques du composant. Ce contrôle comprend le traitement de surface du semiconducteur, la formation de la couche interfaciale et le dépôt du diélectrique. Nous montrons qu'une étape d'oxydation du GaN sous UV, combinée à une oxydation plasma avant le dépôt du diélectrique, permet d'optimiser l'état de surface et de minimiser les contaminations à l'interface. Les mesures électriques, réalisées pour déterminer la densité de charges piégées à l'interface diélectrique/GaN ou dans le diélectrique, montrent des différences significatives liées au type de croissance du GaN (MBE ou MOCVD) et en particulier au type de dopage N ou P du substrat GaN. Des corrélations entre la physico-chimie d'interface et les propriétés électriques des structures sont illustrées. De plus, d'autres étapes technologiques nécessaires à la fabrication d'un MOSFET sur GaN ont été étudiées, en particulier les implantations ioniques de type N et P et la gravure ionique. Les résultats obtenus sur ces différentes briques technologiques permettront, dans un futur proche, la conception de transistors MOS de puissance en GaN, bien qu'il reste encore des défis scientifiques et technologiques à relever avant d'obtenir l'interrupteur de puissance idéal, c'est-à-dire un interrupteur normalement ouvert (normally-off), faibles pertes, forte puissance, haute fréquence et haute température.

  • Titre traduit

    Development of a technological process with the purpose of fabricating a gallium nitride power MOS transistor


  • Résumé

    Gallium Nitride (GaN) semiconductor is one of the most promising materials for new power devices generation thanks to its outstanding material properties for high voltage, temperature and frequency applications. The higher and higher efficiency demanded in future switch power applications requires the investment on normally-off transistors in GaN substrates. Hence, the main objective of this thesis was the development and optimization of a technological process with the purpose of fabricating a GaN power MOS transistor. Then, a first definition of the normally-off GaN power transistor design has been carried out after an extended evaluation of the state-of-the-art. The gate dielectric deposition technological step which gives the quality of the dielectric/GaN interface is the cornerstone of a high performance GaN power transistor. This important step includes the GaN surface preparation, the formation of an interface layer and the subsequent deposition of the dielectric. We have observed that an UV-oxidation step combined with plasma oxidation before the dielectric deposition highly improves the GaN surface quality and minimizes the concentration of contaminants in the dielectric/GaN interface. Besides, measurements performed in fabricated MOS structures to determine the interface trap density of the obtained dielectric/GaN have shown significant differences related to the epitaxial growth type (MBE or MOCVD), especially to the type (N or P) and doping concentration of the GaN substrate. Correlations between the physical-chemistry of the interface and the electrical properties of MOS structures are also investigated in this work. In addition, other necessary technological steps for the fabrication of a GaN MOSFET have been analysed, especially those concerning the N and P type ionic implantation and the reactive-ion etching. All the results presented in this work will allow, in the near future, the design of high quality normally-off power MOS transistors in GaN substrate. However, there are still have scientific and technological challenges to overcome before obtaining the high efficiency power switch demanded in future switch applications.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (178 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 165-176

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  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2011 TOU3 0128
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