Etude de jonctions p-n à base de Ga2O3 pour application de diodes de haute puissance // Study of Ga2O3 based p-n junctions for application high power diodes

Les défis énergétiques et de la réduction des émissions de CO2 engendrent la demande d'une électronique permettant d'augmenter toujours la densité de puissance et l'efficacité de commutation/conversion. Ces enjeux ont généré des développements considérables dans le domaine des matériaux semi-conducteurs à grand gap (SiC, GaN). En effet, ce sont matériaux de base pour les applications en électronique de moyenne puissance dans le secteur des automobiles hybrides/électriques. Au-delà de cette gamme de puissance - applications dans le domaine de la distribution du courant (smart grid) ou des transports (ferroviaire)-, il faut se tourner vers des matériaux moins matures présentant des énergies de bande interdite (supérieur à 4 eV).

Dans ce contexte, le projet de thèse expérimentale porte sur un défi scientifique d'étude des propriétés physique deux oxydes potentiellement intéressants pour cette électronique : Ga2O3, oxyde semi-conducteur à grande bande interdite (~5 eV) [1] assez facilement dopable pour obtenir une conduction de type n et Ni_1-xO qui peut être ajusté de type p.
Les objectifs de la thèse sont la fabrication, l'étude et l'optimisation de diodes p-n verticale basée sur une hétéro-structure Ni_1-xO/Ga2O3. Après avoir réalisé la croissance epitaxiale par pulvérisation cathodique rf de la couche Ni_1-xO, seront étudiées les propriétés structurales/chimiques (cristallinité, morphologie, composition chimique) et semi-conductrices (optiques, électriques). Et sur certaines couche et hétéro-structures seront approfondis les défauts ponctuels (donneur, accepteur, compensateur,) sur chaque couche de la jonction p-n (voire à l'interface) , notamment par résonance paramagnétique électronique. L'ensemble de ces propriétés et celles complémentaires étudiées par les partenaires du projet GOTEN, seront reliées - des matériaux aux caractéristiques électriques I-V, aux effets d'encapsulation - rendant cette thèse pluridisciplinaire. Pour une meilleure compréhension des mécanismes de dopage et compensation, le.a doctorant.e mènera des études connexes des propriétés électroniques (où le GEMaC et l'INSP sont experts) sur des films minces et hétéro-structures provenant d'autres laboratoires internationaux avec des coopérations existantes.
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The challenges of energy and CO2 reduction lead to a demand for electronics that can always increase power density and switching/conversion efficiency. These challenges have generated considerable developments in the field of large-gap semiconductor materials (SiC, GaN). They are basic materials for medium-power electronics applications in the hybrid/electric car sector. Beyond this power range - applications in the field of electricity distribution (smart grid) or transport (rail)-, it is necessary to turn to less mature materials with band energies (greater than 4 eV).

In this context, the experimental thesis project deals with a scientific challenge of studying the physical properties of two oxides potentially interesting for this electronics: Ga2O3, high-band semiconductor oxide (~5 eV) [1] easily dopable to obtain n-type and Ni_1-xO conduction which can be p-type adjusted.
The objectives of this thesis are the growth, study and optimization of p-n vertical diodes based on a Ni_1-xO/Ga2O3 heterostructure. After performing epitaxial growth by sputtering rf of the Ni_1-xO layer, structural/chemical properties (crystallinity, morphology, chemical composition) and semiconductor (optical, electrical) will be studied. And on some layers and hetero-structures, the point defects (donor, acceptor, compensator,) will be deepened on each layer of the p-n junction (even at the interface), in particular by electronic paramagnetic resonance. All of these properties and the complementary ones developed by the GOTEN project partners will be linked. For a better understanding of doping and compensation mechanisms, the PhD student will be involved in electronic properties (where GEMaC and INSP teams are experts) on thin films and hetero-structures from other worldwide laboratories on existing cooperations.
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Début de la thèse : 02/06/2025

Autre financement public

ANR

Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes

573 Interfaces : matériaux, systèmes, usages

MSc with strong background in materials science (characterizations) and in solid state physics/chemistry semiconductors science; strong motivation and experimental works; English language (read, write) ; Good skill of communication, organisation and research curiosity.
MSc with strong background in materials science (characterizations) and in solid state physics/chemistry semiconductors science; strong motivation and experimental works; English language (read, write) ; Good skill of communication, organisation and research curiosity.