Jury :

• Mme Nathalie LABAT, Professeur des Universités, Université de Bordeaux, Rapporteuse
• M. Frédéric MORANCHO, Professeur des Universités, Université de Toulouse, Rapporteur
• M. Abdallah OUGAZZADEN, Professeur, Georgia Institute of Technology (GIT)/School of ECE , Examinateur
• M. Yvon CORDIER, Directeur de recherche CNRS, CRHEA, Valbonne, Examinateur
• M. Katir ZIOUCHE, Professeur, Université de Lille, Lille, Examinateur
• M. Farid MEDJDOUB, Chercheur CNRS, IEMN, Villeneuve d’Ascq, Directeur de thèse

Résumé :

Les semiconducteurs à large bande interdite tels que le GaN et SiC sont des matériaux de choix pour les applications de forte puissance. En effet, les propriétés du matériau GaN, notamment la haute densité et mobilité des électrons du gaz bidimensionnel des hétérostructures associées permettent de réaliser un excellent compromis entre la résistance à l’état passant (Ron) et la tension de claquage. De plus, les récents progrès en matière de croissance de GaN sur substrat silicium (111) laissent espérer l’intégration future de composants de forte puissance à bas coût avec des technologies matures de type CMOS. Afin de repousser davantage les limites des transistors à haute mobilité électronique (HEMT) en GaN pour la conversion de puissance, l’un des défis est de repousser la tenue en tension de cette filière.
Dans ce cadre, nous avons, tout d’abord, étudié électriquement les couches tampons (buffer) par décomposition de l’empilement. Plusieurs hétérostructures ont été analysées avec une croissance stoppée à différents stades. De cette manière, nous avons été en mesure d’évaluer séparément le processus de conduction et de claquage de la couche de nucléation d’AlN, du buffer AlGaN et de l’empilement des couches jusqu’à une couche GaN dopée carbone. Une seconde étude a permis de développer un buffer à base de super-réseaux (pairs AlN/GaN ultrafins). Afin de mettre en évidence les avantages obtenus avec ce type de buffer, non seulement en termes de tenue en tension mais aussi d’effets de pièges réduits, une comparaison des caractérisations électriques avec un buffer standard a été réalisée.
Ensuite, nous avons développé une approche innovante basée sur l’introduction d’une couche épaisse d’AlN au sein de tranches gravées suivie d’un dépôt par électrolyse de cuivre épais en face arrière. Le matériau AlN constitue une barrière de potentiel après le dépôt de l’électrode métallique sur la face-arrière, étape indispensable dans les convertisseurs de puissance de type DC/DC par exemple. Après avoir vérifié le bénéfice de cette solution au niveau de la tension de claquage, nous avons analysé son impact sur les pièges, la dissipation thermique et les contraintes mécaniques.
Enfin, partant du principe que l’électronique à base de matériaux à grands gaps tels que le GaN et le SiC arrive à maturité, les matériaux à ultra large bande interdite tels que l’AlN (6,2 eV) ou l’AlGaN riche en Al, pourraient permettre de repousser les limites en tension ou en température. En outre, l’utilisation d’un buffer AlN permettrait à la fois d’augmenter le confinement des électrons dans le canal du transistor mais aussi d’améliorer la dissipation thermique. Nous avons donc mené une étude préliminaire sur différentes configurations de transistors à base d’AlN et de canaux en AlGaN, qui montre toutes les promesses de cette filière émergente.