Fabrication d’un transistor normally-off à haute mobilité électronique à base de GaN pour les futures générations de dispositifs d’électronique de puissance

Mots clé : Electronique de puissance, transistor à haute mobilité électronique (HEMT, MIS- HEMT) à
base de GaN, gravure par plasma, traitements de surface/passivation, caractérisation des matériaux
et des états de surface, caractérisations électriques.

 

Contexte :
Les technologies GaN-HEMT sur substrat de silicium sont sérieusement considérées comme prochaine
génération de dispositifs d’électronique de puissance entre 200V et 1200V. Le composant de base
pour cette nouvelle technologie est le transistor Normally-Off. Ce dernier doit présenter des
grandeurs électriques parfaitement maitrisées et fiable dans le temps (tensions
-de claquage, -de seuil, fuites de courant de grille, courant à saturation….). Une approche
prometteuse pour obtenir un fonctionnement « normally-off » est d’utiliser une architecture de type
métal-isolant-semi-conducteur pour le HEMT (MIS-HEMT). Cependant, les performances escomptées pour
la fiabilité de ces composants soumis à des contraintes en tension, courant et température élevées
nécessitent une qualité matériau à moindre défauts et une parfaite maitrise technologique.
Deux étapes clés de ce procédé technologique sont la gravure du cap sur la zone active des
transistors et le dépôt du diélectrique de grille et son prétraitement de surface associé. Ces
étapes contrôlent directement les instabilités de la tension de seuil des transistors liées aux
états d’interface, aux fuites de grille et par conséquent, au bon fonctionnement de ce dernier.
Pour que les technologies GaN MIS-HEMT soient largement adoptées dans les dispositifs
d’électronique de puissance de demain, il faut être capable de lever les verrous technologiques
liés à la fabrication de ces dispositifs.
C’est dans ce contexte que s’inscrit le sujet de thèse en cotutelle proposé conjointement par le
LN2 à Sherbrooke, Québec, Canada et le LTM à Grenoble, France.

 

Objectifs de la thèse
Nous proposons pour cette thèse de doctorat d’étudier et d’optimiser deux étapes technologiques clé
de l’intégration ayant un impact direct sur la densité de pièges à l’interface diélectrique
Al2O3/(Ga,In)AlN. L’objectif final est non seulement la démonstration d’un dispositif MIS-HEMT
Normally-Off à tension de seuil élevée, mais également la compréhension précise du rôle des états
d’interface entre la couche barrière et l’isolant de grille.

La première étape critique est la gravure de la couche de cap, typiquement en nitrure de silicium
(SiN) qui débouche sur la couche barrière. Aujourd’hui, les procédés de gravure par plasma ou par
voie humide proposés ne permettent pas de préserver la surface active du transistor. Depuis 2016,
le LTM travaille sur un nouveau concept de gravure, dit de Smart-Etch, qui permet de structurer la
matière avec une précision sub-nanométrique sans l’endommager. Ce concept a déjà fait ses preuves
pour la gravure de couche de nitrure avec arrêt sélectif et sans endommagement sur du Si ou du
SiO2. Ce sujet de thèse propose d’évaluer le potentiel de ce nouveau concept pour limiter les
défauts générés dans les couches actives du transistor lors de la gravure du SiN.
La deuxième étape critique est le dépôt du diélectrique de grille en Al2O3 sur la couche barrière
qui suit l’étape de gravure du SiN. Cette étape technologique peut être traitée par différentes
techniques (PECVD et ALD).

Ce sujet de thèse propose à ce niveau d’évaluer l’impact des prétraitements de la surface avant
dépôt ainsi que la fabrication de ce diélectrique isolant par différentes techniques, sur les états
de surface.
L’impact des procédés de gravure nitrure, de passivation de la surface et de dépôt du diélectrique
sur les états de surface sera évalué par des caractérisations physico-chimiques des surfaces et
interfaces par XPS, HRTEM, SIMS, photoluminescence et également par des mesures électriques C-I vs
V pour différentes fréquences et à différentes températures. Cela nous permettra de remonter aux
densités d’états d’interface selon le procédé utilisé.

Déroulement de la thèse : Le doctorant effectuera ses travaux de recherche en alternance entre le
laboratoire des Technologies de la Microélectronique (LTM-CNRS, Université Grenoble Alpes) en
France et l’Université de Sherbrooke au Canada. Les études portant sur l’optimisation et la
caractérisation des deux étapes technologiques de gravure et de dépôt de l’isolant de grille seront
principalement réalisées au LTM, alors que le développement du dispositif final MIS-HEMT et
l’évaluation de ses performances électriques seront réalisés au LN2.
Commencement de la thèse: dès octobre/Novembre 2017
Financement : Co-financement entre l’Université Grenoble Alpes en France et l’Université de
Sherbrooke au Canada
Compétences: Le candidat doit être diplômé d’une école d’ingénieur ou d’un master de recherche.
Pour être éligible, le candidat doit avoir obtenu de bons résultats lors de ses études. Le travail
de thèse demandé requiert un goût pour le travail expérimental, un bon niveau scientifique de
manière générale. Des compétences en physique des plasmas, en caractérisation des matériaux et en
physique des semi-conducteurs seront utiles pour mener à bien le projet. Dans un contexte de thèse
en cotutelle nécessitant la réalisation de travaux de recherche sur deux sites, le candidat doit
faire preuve d’autonomie, de dynamisme et d’une capacité à s’adapter rapidement à un nouvel
environnement.

 

Joindre à votre candidature votre CV avec les notes et classement de master 1 et 2, ainsi qu’une
lettre de référence de la part de votre responsable de Master (précisant votre classement), et une
lettre du responsable du projet de master.
Contacts :
Hassan Maher
Professeur à l’Université de Sherbrooke (Canada) Hassan.Maher@USherbrooke.ca

&nBsp;Ali Soltani
Professeur à l’Université de Sherbrooke (Canada) Ali.Soltani@USherbrooke.ca

 

Erwine Pargon
Chargée de recherche au LTM/CNRS (Grenoble)
04 38 78 91 57
Email: erwine.pargon@cea.fr

 

Maxime Darnon Chargé de recherche
Professeur associé LN2/CNRS
Maxime.Darnon@USherbrooke.ca

 

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