Structural and thermal characterization of AIN thin films and their integration in laser devices

par Mohammad Rammal

Thèse de doctorat en Science des matériaux

Sous la direction de Mohamed-Abdou Djouadi et de Ahmed Rhallabi.

Soutenue le 25-06-2019

à Nantes , dans le cadre de École doctorale Matière, Molécules et Matériaux (Le Mans) , en partenariat avec Université Bretagne Loire (COMUE) et de Institut des Matériaux Jean Rouxel (Nantes) (laboratoire) .

Le président du jury était Mohammed Yousfi.

Le jury était composé de Mohammed Yousfi, Bertrand Garnier, Omar Elmazria.

  • Titre traduit

    Caractérisation structurelle et thermique des couches minces de l’AlN et leur intégration en dispositif laser


  • Résumé

    Des couches minces de nitrure d'aluminium sont développées sur plusieurs substrats à l'aide d'une pulvérisation cathodique par magnétron à basse température (<200 ° C) afin d'assurer la gestion thermique des dispositifs laser. La caractérisation de la microstructure (DRX, Raman, SEM, TEM) montre un film d’AIN bien cristallisé à structure dense et en colonne lorsqu’il est déposé sur des substrats de silicium, de saphir et d’InP. Les films AlN sont orientés (002) avec Rocking curve (FWHM) de 1,8 ° sur silicium, 0,9 ° sur saphir et entre 2,5 ° et 3 ° sur InP avec de ridge pour une épaisseur de 2 μm. De plus, la mesure thermique utilisant la technique photothermique pulsée a donné une conductivité thermique de 175 W.m-1.K-1 pour une couche d’AlN de 3 μm d’épaisseur. Ces valeurs élevées de conductivité thermique ont fait de l’AlN un bon candidat pour remplacer les matériaux BCB et SiO2 possédant une conductivité thermique faible. Les couche d’AlN sont utilisées comme dissipateurs de chaleur afin d’éliminer rapidement une chaleur énorme sur une très petite surface, avec un flux de chalaur allant jusqu’à 1 kW.cm-2, pour une stratégie de gestion thermique efficace et une prévention des pannes système. Les films AlN sont intégrés dans un dispositif laser après un processus de gravure sèche utilisant un mélange de plasma BCl3/Cl2/Ar. La vitesse de gravure était d’environ 200 nm/min. La gravure de AlN a été étudiée expérimentalement et numériquement afin de montrer l’effet de divers paramètres et conditions. Il a été remarqué que l’ajout de gaz BCl3 au mélange de plasma facilite et améliore le processus de gravure.


  • Résumé

    Aluminum nitride thin films are grown on several substrates by using DC magnetron sputtering at low temperature (<200°C) in order to ensure the thermal management of laser devices. The microstructure characterization (XRD, Raman, SEM, TEM) shows a well crystallized AlN films with dense and columnar structure when deposited on silicon, sapphire and InP substrates. AlN films are (002) oriented with Rocking curve (FWHM) of 1.8° on silicon, 0.9° on sapphire, and between 2.5° and 3° on ridged InP for thickness of 2 μm. Furthermore, the thermal measurement using pulsed photothermal technique, has given a thermal conductivity of 175 W.m-1.K-1 for an AlN layer of 3 μm thick. These high values of thermal conductivity has made AlN a good candidate replacing BCB and SiO2 materials possessing low thermal conductivity. AlN layers are used as heat spreaders in order to rapidly remove enormous heat on a very small surface, with heat flux up to 1 kW.cm-2, for an efficient thermal-management strategy and system failure prevention. AlN films are integrated in laser device following a dry etching process using BCl3/Cl2/Ar plasma mixture. The AlN etch rates were around 200 nm/min. The AlN etching was studied deeply, experimentally and numerically in order to show the effect of various parameters and conditions. It was noticed that the addition of BCl3 gas to the plasma mixture facilitates and improves the etching process.


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