Etude des mécanismes de formation des contacts ohmiques pour des transistors de puissance sur Nitrure de Gallium

par Dimitri Bertrand

Thèse de doctorat en Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie

Sous la direction de Elisabeth Blanquet.

Soutenue le 12-12-2016

à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Frédéric Morancho.

Le jury était composé de Elisabeth Blanquet, Murielle Fayolle-Lecocq.

Les rapporteurs étaient Fredéric Sanchette, Gabriel Ferro.

mots clés

• Nitrure de Gallium
• Hemt
• AlGaN/GaN
• Contact ohmique
• Formation
• Contacts métal-semiconducteur
• Transistors de puissance
• Thermodynamique

Résumé

Cette thèse s’inscrit dans le cadre du développement d’une filière de transistors de puissance à base de nitrure de Gallium au CEA-LETI. Ces transistors, en particulier les HEMT utilisant l’hétérostructure AlGaN/GaN, présentent des propriétés très utiles pour les applications de puissance. L’essor de cette technologie passe notamment par le développement de contacts ohmiques peu résistifs. Cette thèse a pour objectif d’approfondir la compréhension des mécanismes de formation du contact ohmique sur une structure AlGaN/GaN. Dans un premier temps, une étude thermodynamique sur une dizaine de métaux de transition utilisables comme base de l’empilement métallique du contact a été menée, ce qui a permis de retenir une métallisation Ti/Al. Puis, les différentes réactions physico-chimiques de cet empilement avec des substrats nitrurés ont été étudiées en faisant varier la composition et les températures de recuit de formation du contact ohmique. Enfin, plusieurs études sur structure AlGaN/GaN couplant caractérisations électriques et physico-chimiques ont permis d’identifier des paramètres décisifs pour la réalisation d’un contact ohmique, peu résistif et nécessitant une faible température de recuit.

mots clés

• Gallium nitride
• High-Electron-Mobility Transistor
• AlGaN/GaN
• Ohmic contacts
• Formation

Titre traduit

Study of the mechanisms involved in the formation of ohmic contacts on power electronics transistors based on Gallium nitride

Résumé

This PhD is part of the development of Gallium nitride based power transistors at the CEA-LETI. These transistors, especially those based on AlGaN/GaN heterostructure, are very promising for power electronics applications. The goal of this PhD is to increase the knowledge of the mechanisms responsible for the ohmic contact formation on a AlGaN/GaN structure. First, a thermodynamic study of several transition metals has been performed, leading us to select Ti/Al metallization. Then, the multiple physico-chemical reactions of this stack with nitride substrates have been studied depending on the stack composition and the annealing temperature. Finally, several studies on AlGaN/GaN structure coupling both physico-chemical and electrical characterizations reveal different decisive parameters for the formation of an ohmic contact with a low-resistance and a low annealing temperature.