Development and understanding of III-N layers for the improvement of high power transistors

par Romain Bouveyron

Thèse de doctorat en Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie

Sous la direction de Jean-Michel Hartmann.

Le président du jury était Daniel Bellet.

Le jury était composé de Matthew Charles, Rose-Marie Sauvage, Nicolas Grandjean.

Les rapporteurs étaient Georges Brémond, Yvon Cordier.

  • Titre traduit

    Développement et compréhension des couches III-N pour l'amélioration des transistors de haute puissance


  • Résumé

    Cette thèse est principalement axée sur le développement des matériaux III-N pour les transistors de puissance HEMTs, ainsi que les multipuits quantiques et les applications optroniques qui en découlent dans une moindre mesure. Suite à un rappel des propriétés des nitrures, des différentes applications possibles, du principe de la MOCVD et des différentes caractérisations retenues pour ce travail, nous avons traité dans un premier temps la croissance de GaN à basse température, c'est-à-dire en dessous de 1050degres C. La fabrication de multipuits impliquant l’alternance des couches de GaN et d'InAlN ou InGaAlN nous contraint de travailler à ces températures ce qui génère l’apparition d’un défaut en surface du GaN que l’on nomme V-defect. Une étude expérimentale poussée nous a permis de comprendre comment apparaissent et évoluent ces défauts selon les paramètres de croissance. Un modèle basé sur les énergies de surface à pu être élaboré et explique l’évolution de ces défauts. Ensuite nous avons défini l'influence de nombreux paramètre de croissance par MOCVD et tiré, des multiples tendances mises en relief, des modèles et explications justifiant telle ou telle propriété physique et chimique du matériau. En aval, ce sont des caractérisations électriques et principalement des mesures de résistivités qui ont été traitées afin de comparer la performance de nos échantillons à base d'indium à ceux de type AlGaN/GaN. Le problème de la pollution au gallium dans les réacteurs MOCVD verticaux a été mis en évidence et nous avons proposé différentes solutions pour la limiter, voire l’annihiler. Pour terminer ce sont des couches de protection à base de SiN et GaN que nous avons tenté de développer afin de protéger nos alliages à base d’indium pour la suite des étapes technologiques nécessaires à la fabrication d’un composant par exemple.


  • Résumé

    This thesis is mainly focused on the development of III-N materials for HEMTs power transistors, as well as quantum wells and optronics applications that result to a lesser extent. Following a reminder of the properties of nitrides, the different possible applications, the principle of the MOCVD and the different characterizations used for this work, we first treated the growth of GaN at low temperature, that is to say below 1050degres C. The manufacture of multiple quantum wells involving the alternation of GaN and InAlN or InGaAlN layers forces us to work at these temperatures, which generates the appearance of a defect in surface of the GaN which is called V-defect. An advanced experimental study allowed us to understand how these defects appear and evolve according to the growth parameters. A model based on surface energies could be developed and explains the evolution of these defects. Then we defined the influence of many MOCVD growth parameters by MOCVD and derived, from the multiple trends highlighted, the models and explanations justifying this or that physical and chemical property of the material. Downstream, these are electrical characterizations and mainly resistivity measurements that have been processed to compare the performance of our indium-based samples to those of AlGaN/GaN type. The problem of gallium pollution in vertical MOCVD reactors has been highlighted and we have proposed different solutions to limit or even annihilate it. Finally, we have tried to develop protective layers based on SiN and GaN in order to protect our indium-based alloys for the next technological steps required to manufacture a component, for example.


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