Procédés de gravure plasma pour la réalisation de structures verticales de diodes Schottky de nouvelle génération à base de GaN

par Nicolas Gosset

Thèse de doctorat en Physique des plasmas

Sous la direction de Rémi Dussart.

Le président du jury était Christophe Cardinaud.

Le jury était composé de Rémi Dussart, Christophe Cardinaud, Gilles Cartry, Mihai Lazar, Thomas Tillocher.

Les rapporteurs étaient Gilles Cartry, Nicolas Possémé.


  • Résumé

    Le nitrure de gallium (GaN) est un semi-conducteur à grand gap dont les propriétés en font un bon candidat pour remplacer le Si dans le domaine de l’électronique de puissance. Dans cette optique, cette thèse s’est intéressée à l’une des étapes de la conception d’une diode de puissance Schottky à base de GaN épitaxié sur Si : la gravure. L’objectif était alors de développer des procédés permettant une reprise de contact sur une couche enterrée de GaN n+. Ils devaient combiner des performances de gravure compatibles avec des processus industriels et conduire à des profils et états de surface adaptés à la réalisation d’un contact ohmique. La réalisation d’une structure pseudo-verticale, au travers de la gravure par la face supérieure d’une couche de 5 à 6 μm de GaN a été étudiée avec quatre réacteurs plasma différents. Des analyses du plasma et du matériau après gravure ont mis en évidence que le meilleur compromis était obtenu pour des plasmas inductifs en chimie chlorée avec une tension d’auto-polarisation modérée. Il a également été déterminé que l’ajout d’un gaz fluoré dans un plasma de ce type permettait de générer une passivation à même de protéger la surface du GaN. Pour répondre à la chute de vitesse de gravure qu’elle entraîne, un procédé alternant des étapes de gravure et de passivation a été développé et étudié. D’autre part, des recherches ont été menées afin de créer une structure verticale. Afin d’atteindre le GaN n+, des gravures en face arrière de vias de Si d’une profondeur de 300 μm par les procédés cryogéniques standard et STiGer anisotrope ont été effectuées. Un procédé de révélation permettant l’étude des couches composant le tampon, situé entre le Si et le GaN, a été mis au point. Leur gravure par des plasmas chlorés s’est révélée efficace au travers ou non de vias de Si.

  • Titre traduit

    Plasma etch processes for the realization of vertical structures for the new generation of GaN based Schottky diodes


  • Résumé

    Gallium nitride (GaN) is a wide bandgap III-V semiconductor with interesting electrical properties in order to replace Si in the field of power devices. The subject of this thesis was then to study one of the essential steps to realize a GaN based Schottky diode : the etch. The aim was to develop etching processes allowing the realization of an ohmic contact on an embedded GaN n+ layer. They must combine GaN etching performances compatible with industrial requirements and etch profiles and surface states compatible with an ohmic contact. The etching of a 5 to 6 μm GaN layer by four different reactors was studied in order to realize a pseudovertical structure. Plasma and GaN surfaces analyses were performed during and after etching by five developed and optimized processes. These analyses showed that best compromise was obtained for inductive chlorine plasmas with a moderate bias. The creation of a passivation layer which is able to protect GaN surface, thanks to fluorine addition in plasma chemistries was also established. To overcome the etch rate decreases induced by fluorine addition, a time multiplexed etching process, alternating etch and passivation steps, was developed and studied. Researches were also performed to achieve a vertical diode. Etching of 300 μm depth Si vias by standard cryogenic and anisotropic STiGer processes were carried out. A revelation process was also developed in order to study buffer layers etching. Effective buffer etching by chlorine plasma was demonstrated with or without Si vias.



Le texte intégral de cette thèse sera accessible librement à partir du 06-07-2018

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