Dopage du GaN par implantation ionique

Dopage du GaN par implantation ionique 

Le GaN dans l’électronique actuelle

Les applications en microélectronique du GaN

Le Nitrure de Gallium (GaN) est un semi-conducteur à grand gap direct appartenant à la famille des III-N. Nous allons voir dans cette partie que le développement des technologies à base de GaN est en plein essor et répond à des enjeux clés dans un grand panel de domaines, allant de l’optoélectronique jusqu’à l’électronique de puissance.

Optoélectronique

Ces dernières décennies le marché de la diode électroluminescente (DEL ou LED pour l’anglais « Light Emitting Diode ») a explosé. En effet, avec le développement de plus en plus rapide de nouvelles technologies nécessitant des écrans comme les smartphones, les montres intelligentes ou la recherche de méthodes d’éclairage plus économes en énergie, le marché global de la LED aurait atteint près de 26 milliards de dollars en 2016 et on s’attend à ce qu’il dépasse les 50 milliards d’ici 2022 [1]. Le développement des LED à base de GaN et de nitrure est l’un des principaux moteurs de ce développement. En effet, le GaN peut être combiné avec l’AlN et l’InN afin de former une large panoplie de composés ternaires et quaternaires . Cela permet de produire notamment des LED ou lasers émettant des longueurs d’ondes allant du proche infrarouge jusqu’à l’ultraviolet en passant par le visible [2].

Les premières LED à base de GaN émettant dans le rouge ou le vert ont été mises au point dès les années 50 mais les chercheurs ont eu de grandes difficultés pour réussir à obtenir des LED émettant dans le bleu. Il a fallu attendre 1991 et la démonstration de la première LED bleue émettant à température ambiante à base de GaN dopé Mg par Amano et al. [4]. Cette découverte a révolutionné le marché de la LED à base de GaN. En effet, outre ses applications dans le domaine de la santé comme la stérilisation de l’eau, elle a ouvert la voie au développement des LEDs blanches, adaptées aux applications d’éclairages, qui permettra de réduire considérablement la consommation globale d’électricité, et au laser bleu, déjà utilisé dans les technologies Blu-Ray. Elle vaudra à Amano, Akasaki et Nakamura le prix Nobel de physique en 2014 et ce succès explique en grande partie pourquoi le marché de la LED constitue aujourd’hui le principal marché du GaN.

Electronique de puissance 

L’électronique de puissance est un autre marché très prometteur pour les technologies à base de GaN. En effet, pour ces dispositifs, la tendance actuelle est à l’augmentation de la puissance et de la fréquence de travail des composants, ce qui pose des problèmes de refroidissement ou de champ électrique critique avec les technologies silicium couramment utilisées. qui compare des caractéristiques clés pour la réalisation de composants pour les applications haute fréquence/haute puissance du Si, du GaN et du SiC (Carbure de silicium). Le schéma met clairement en évidence la supériorité du GaN et du SiC ce qui explique pourquoi on les considère aujourd’hui comme les héritiers du silicium pour ce type d’application. On présente souvent ces deux matériaux comme étant en compétition mais cette affirmation n’est vraie que pour une gamme de tension entre 600 et 900 V. Sinon les applications du GaN et du SiC sont au contraire complémentaires. En effet, en l’état actuel, le GaN pourrait permettre le développement de dispositifs de puissance à des tarifs compétitifs grâce au développement de la filière GaN-sur-Si pour des gammes de tension allant jusqu’à 600-650 V alors que le SiC, même s’il est plus coûteux, reste le meilleur choix au-delà de 1200 V. Le GaN est donc en compétition avec les structures Si de type MOSFET (de l’anglais « Metal Oxyde Semiconductor Field Effect Transistor ») à super jonction alors que le SiC est plutôt en compétition avec les IGBT (de l’anglais « Insulate Gate Bipolar Transistor ») [5]–[8].

Les dispositifs de puissance à base de GaN sont variés allant des diodes (Schottky, p-n) aux transistors HEMTs (de l’anglais « High Electron Mobility Transistors ») aussi appelés HFET (de l’anglais « Heterojunction Field-Effect Transistor ») . La structure de base d’un de ces transistors y est présentée. Cette dernière utilise une propriété particulière propre àl’hétérojonction AlGaN/GaN. Comme on le verra dans la suite, la différence d’électronégativité desatomes de Ga et de N créé une polarisation interne dans le cristal de GaN ainsi que dans les composés AlGaN. Lors de l’hétéroépitaxie d’AlGaN sur GaN, la différence de paramètre de maille entre les deux matériaux provoque une mise en contrainte de l’AlGaN, ce qui induit une polarisation piézoélectrique supplémentaire. Ces effets de polarisation vont provoquer l’accumulation d’électrons à l’interface AlGaN/GaN  Cette accumulation de porteurs confinés est appelée 2DEG (de l’anglais « Two Dimensional Electron Gas ») et permet le passage du courant [9], [10]. Dans ce canal de conduction, les valeurs théoriques de la densité de porteur et de la mobilité sont respectivement de l’ordre de 10¹³ cm-2 et 2000 cm²/Vs et la résistance carré de 310 Ω [9]. Les propriétés de ce 2DEG en font ainsi la pierre angulaire du design des transistors à base de GaN qui sont adaptés pour travailler dans une large gamme de fréquence et de puissance. Des exemples plus détaillés peuvent être trouvés dans une revue récente sur le sujet [7].

Ainsi, les applications des dispositifs à base de GaN s’étendent sur une gamme de puissances et de fréquences inégalée par les autres matériaux. ce qui se traduit par une gamme toute aussi large d’applications. Au niveau des applications RF, on peut retrouver le GaN dans tous les domaines, de la communication sans fil à la diffusion de données (satellites, télévision…) en passant par la défense (radar…), principalement au niveau des amplificateurs de puissance. Le développement de la filière GaN-sur-Si n’en étant qu’à ses débuts, les application pour la puissance se concentrent pour le moment principalement sur les basses et moyennes tensions (alimentations, onduleurs solaires, système de contrôle de moteurs…) mais l’amélioration des performances des dispositifs et la réduction des coûts par rapport au SiC laissent une grande marge d’évolution au marché (éoliennes, trains, bateaux…). Les promesses des technologies à base de GaN en font donc un secteur très dynamique et en plein développement, en particulier avec les politiques actuelles d’économie d’énergie, de développement des énergies renouvelables ou encore l’arrivée de la 5G. Ce dynamisme est renforcé par les perspectives de diminution des coûts avec le développement des filières de GaN sur substrat Si. Ainsi, on prévoit une forte croissance du marché de la puissance du GaN, s’élevant en 2017 à environ 400 millions de dollars et qui pourrait atteindre les 1,3 à 1,8 milliards d’ici 2023 [11], [12].

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 : Dopage du GaN par implantation ionique
1 Le GaN dans l’électronique actuelle
1.1 Les applications en microélectronique du GaN
1.1.a Optoélectronique
1.1.b Electronique de puissance
1.2 Intérêt de l’implantation ionique dans les dispositifs à base de GaN
2 Propriétés physiques et croissance
2.1 Structure cristalline
2.2 La croissance du GaN
2.2.a Techniques de croissance du GaN
2.2.b Influence du substrat
3 Dopage et compensation dans le GaN
3.1 Activation du dopant dans un semi-conducteur
3.1.a Intégration du dopant dans la maille
3.1.b Activation du dopant
3.2 Les dopants du GaN
3.2.a Dopage n
3.2.b Dopage p
3.3 Défauts et impuretés post-épitaxie du GaN
3.3.a Défauts de croissance
3.3.b Les impuretés dans le GaN post-épitaxie
4 L’implantation dans le GaN
4.1 Généralités sur l’implantation ionique dans le GaN
4.1.a Principes de base de l’implantation ionique
4.1.b Endommagement de la maille pendant l’implantation
4.1.c Evolution de la défectivité en recuit
4.2 Endommagement et protection du GaN pendant les traitements thermiques
4.2.a Instabilité du GaN à haute température
4.2.b Couche de protection pour le traitement thermique
4.3 Activation de Si implanté
4.4 Activation du Mg implanté
Conclusion
Références
Chapitre 2 : Couche protectrice et recuit du GaN
1 Protocole expérimental
1.1 Description de la structure des échantillons de GaN sur Si (111)
1.2 Conditions de recuit
2 Protection de la surface du GaN pendant le traitement thermique
2.1 Protection par dépôt de couches déposées ex-situ
2.1.a Protection basée sur un dépôt de Si3N4 ou SiO2
2.1.b Introduction d’une couche d’AlN dans la protection
2.2 Intégration de couches AlN, AlGaN et SiNx déposées in-situ dans la couche de protection
2.2.a Choix des matériaux de la couche de protection in-situ
2.2.b Tenue en recuit
2.2.c Diffusion depuis les couches de protection
2.3 Discussion
3 Techniques de retrait
3.1 Gravure par ions réactifs (RIE)
3.2 Gravure par faisceau d’ions (IBE)
3.3 Gravure chimique
3.4 Conclusion sur les essais de gravure des couches de protection
4 Impact de l’implantation sur la tenue de la protection
4.1 Protocole expérimental des procédé d’implantation ionique
4.1.a Intégration de l’implantation ionique dans la production des échantillons
4.1.b Protocole d’implantation
4.2 Influence de l’implantation sur l’efficacité des couches de protection
Conclusion
Références
Chapitre 3 : Evolution en température de l’endommagement du GaN implanté
1 Caractérisation du GaN implanté par photoluminescence
1.1 Généralités sur la photoluminescence du GaN
1.2 Spectres de luminescence du GaN
1.2.a GaN non dopé
1.2.b GaN dopé Mg
1.3 Protocole expérimental
1.4 Luminescence d’échantillons implantés
1.4.a Interférences de Fabry-Pérot
1.4.b Identification des pics caractéristiques d’échantillons implantés Mg par comparaison avec l’implantation de Si et de Ne
1.4.c Evolution de la luminescence au cours du procédé d’activation des dopants
1.4.d Comparaison de la Photoluminescence d’échantillons dopés Mg par MOVPE et implantation
2 Caractérisation du GaN implanté par diffraction des rayons X
2.1 Présentation de la technique
2.2 Caractéristiques des échantillons étudiés
2.2.a Variation de la déformation sur un wafer
2.2.b Mesure XRD d’un échantillon implanté
3 Evolution de l’endommagement du GaN implanté avec la température de recuit
3.1 Etude systématique de l’évolution du GaN implanté en fonction de la température de recuit par caractérisation XRD et PL
3.2 Endommagement du GaN implanté après traitement thermique étudié par RBS et STEM
3.3 Discussion
4 Diffusion et agrégation du Mg pendant les traitements thermiques
4.1 Diffusion du dopant
4.2 Agrégation du Mg implanté pendant le recuit
4.3 Révélation de structures, par gravure, dans les échantillons implantés Mg et recuits
4.4 Discussion
Conclusion
Références
Conclusion générale 

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