Nouveau matériau semi-conducteur à large bande interdite à base de carbures ternaires - Enquête sur Al4SiC4

par Simon Forster

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

Sous la direction de Didier Chaussende et de Karol Kalna.

Le président du jury était Ivan Glesk.

Le jury était composé de Fabien Volpi, Michael Jennings.

Les rapporteurs étaient Gabriel Ferro, Harold Chong.


  • Résumé

    Les matériaux semi-conducteurs à large bande interdite sont capables de résister aux environnements difficiles et de fonctionner dans une large plage de températures. Celles-ci sont idéales pour de nombreuses applications telles que les capteurs, la haute puissance et les radiofréquences.Cependant, des matériaux plus nouveaux sont nécessaires pour atteindre une efficacité énergétique significative dans diverses applications ou pour développer de nouvelles applications destinées à compléter les semi-conducteurs à bande interdite tels que le GaN et le SiC.Dans cette thèse, trois méthodes différentes sont utilisées pour étudier l’un de ces nouveauxmatériaux, carbure d'aluminium et de silicium (Al4SiC4): (1) simulations d'ensemble de Monte Carloafin d'étudier les propriétés de transport d'électrons du nouveau carbure ternaire, (2)études expérimentales pour déterminer ses propriétés matérielles et (3) simulations de dispositifsd'un dispositif à hétérostructure rendu possible par ce carbure ternaire. Toutes ces méthodesinterconnecter les uns avec les autres. Les données de chacun d’eux peuvent alimenter l’autre pour acquérir de nouvelles connaissances.résultats ou affiner les résultats obtenus conduisant ainsi à des propriétés électriques attrayantes telles qu’une bande interdite de 2,78 eV ou une vitesse de dérive maximale de 1,35 × 10 cm s.Ensemble Monte Carlo, développé en interne pour les simulations de Si, Ge, GaAs,AlxGa1-xAs, AlAs et InSb; est adopté pour les simulations du carbure ternaire en ajoutant untransformation de la nouvelle vallée pour tenir compte de la structure hexagonale de Al4SiC4. Nous prédisonsune vitesse maximale de dérive des électrons de 1,35 × 107 cm-1 à un champ électrique de 1400 kVcm-1 et une mobilité maximale des électrons de 82,9 cm V s. Nous avons vu une constante de diffusion de 2,14 cm2s-1 à un champ électrique faible et de 0,25 cm2s-1 à un champ électrique élevé. Enfin nousmontrer que Al4SiC4 a un champ critique de 1831 kVcmOn utilise des cristaux semi-conducteurs qui avaient été cultivés auparavant à l’IMGP, l’un par la croissance en solution et l’autre par la fusion en creuset. Trois expériences différentes sont effectuées sur eux; (1) spectroscopie UV, IR et visuelle, (2) spectroscopie photographique à rayons X, et (3) mesures à deux et à quatre sondes dans lesquelles un contact métallique est formé sur les cristaux. Nous avons trouvé ici une bande interdite de spectroscopie UV, IR et Vis de 2,78 ± 0,02 eV et une couche d’oxyde épaisse sur les échantillons en utilisant du XPS. Malheureusement, les mesures à deux et à quatre sondes n'ont donné aucun résultat autre que le bruit, probablement en raison de l'épaisse couche d'oxyde trouvée sur les échantillons.Dans les simulations de dispositifs, le logiciel commercial Atlas de Silvaco est utilisé pour prédire les performances des dispositifs à hétérostructure, avec des longueurs de grille de 5, 2 et 1 µm, rendues possibles par le carbure ternaire en combinaison avec du SiC. Le transistor à hétérostructure SiC / Al4SiC4 d'une longueur de grille de 5 µm délivre un courant de drain maximal de 1,68 × 10−4 A / µm, qui passe à 2,44 × 10−4 A / µm et à 3,50 × 10−4 A / µm pour des longueurs de grille de 2 µm et 1 µm, respectivement. La tension de claquage de l'appareil est de 59,0 V, ce qui réduit à 31,0 V et à 18,0 V les transistors mis à l'échelle des longueurs de grille de 2 µm et de 1 µm. Le dispositif à longueur de grille réduite de 1 μm bascule plus rapidement en raison de la transconductance supérieure de6,51 × 10−5 S / μm par rapport à une fois par an1,69 × 10−6 S / μm pour le plus grand périphérique.Enfin, une pente inférieure au seuil des dispositifs mis à l'échelle est égale à 197,3 mV / dec, 97,6 mV / dec et 96,1 mV / dec pour des longueurs de grille de 5 µm, 2 µm et 1 µm, respectivement.

  • Titre traduit

    Novel wide bandgap semiconductor material based on ternary carbides - An investigation into Al4SiC4


  • Résumé

    Wide bandgap semiconductor materials are able to withstand harsh environments and operate over a wide range of temperatures. These make them ideal for many applications such as sensors, high-power and radio-frequencies to name a few.However, more novel materials are required to achieve significant power efficiency of various applications or to develop new applications to complement current wide bandgap semiconductors such as GaN and SiC.In this dissertation, three different methods are used to study one of these novelmaterials, aluminium silicon carbide (Al4SiC4): (1) ensemble Monte Carlo simulationsin order to study the electron transport properties of the novel ternary carbide, (2)experimental studies to determine its material properties, and (3) device simulationsof a heterostructure device made possible by this ternary carbide. All these methodsinterlink with each other. Data from each of them can feed into the other to acquire newresults or refine obtained results thus leading way to attractive electrical properties such as a bandgap of 2.78 eV or a peak drift velocity of 1.35×10 cm s .Ensemble Monte Carlo toolbox, developed in-house for simulations of Si, Ge, GaAs,AlxGa1−xAs, AlAs, and InSb; is adopted for simulations of the ternary carbide by adding anew valley transformation to account for the hexagonal structure of Al4SiC4. We predicta peak electron drift velocity of 1.35×107 cms−1 at electric field of 1400 kVcm−1 and a maximum electron mobility of 82.9 cm V s . We have seen a diffusion constant of 2.14 cm2s−1 at a low electric field and of 0.25 cm2s−1 at a high electric field. Finally, weshow that Al4SiC4 has a critical field of 1831 kVcmsemiconductor crystals are used that had previously been grown at IMGP, one by solution grown and the other by crucible melt. Three different experiments are performed on them; (1) UV, IR and Vis Spectroscopy, (2) X-ray Photo Spectroscopy, and (3) Two- and four-probe measurements where metal contact are grown on the crystals. Here we have found a bandgap of 2.78 ± 0.02 eV UV, IR and Vis Spectroscopy and a thick oxide layer on the samples using XPS. Unfortunately the Two- and four-probe measurements failed to give any results other than noise, most likely due to the thick oxide layer that was found on the samples.In the device simulations, a commercial software Atlas by Silvaco is utilized to predict performance of heterostructure devices, with gates lengths of 5 μm, 2 μm and 1 μm, made possible by the ternary carbide in a combination with SiC. The 5 μm gate length SiC/Al4SiC4 heterostructure transistor delivers a maximum drain current of 1.68×10−4 A/μm, which increases to 2.44×10−4 A/μm and 3.50×10−4 A/μm for gate lengths of 2 μm and 1 μm, respectively. The device breakdown voltage is 59.0 V which reduces to 31.0 V and to 18.0 V for the scaled 2 μm and the 1 μm gate length transistors. The scaled down 1 μm gate length device switches faster because of the higher transconductance of6.51×10−5 S/μmcomparedtoonly1.69×10−6 S/μmforthelargestdevice.Finally,a sub-threshold slope of the scaled devices is 197.3 mV/dec, 97.6 mV/dec, and 96.1 mV/dec for gate lengths of 5 μm, 2 μm, and 1 μm, respectively.


Il est disponible au sein de la bibliothèque de l'établissement de soutenance.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse\u00a0?

  • Bibliothèque : Université Savoie Mont Blanc (Chambéry-Annecy). Service commun de la documentation et des bibliothèques universitaires. Bibliothèque électronique.
  • Bibliothèque : Université Grenoble Alpes. Bibliothèque et Appui à la Science Ouverte. Bibliothèque électronique.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.