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Etude de structures épitaxiées sur substrat GaN pour l’optimisation des dispositifs électroniques de puissance

ABG-87846 Sujet de Thèse
09/10/2019 > 25 et < 35 K€ brut annuel
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Saint-Gobain Lumilog
Valbonne - Provence-Alpes-Côte d'Azur - France
Etude de structures épitaxiées sur substrat GaN pour l’optimisation des dispositifs électroniques de puissance
  • Physique
  • Matériaux
  • Sciences de l’ingénieur
Nitrure de Gallium, épitaxie, électronique de puissance

Description du sujet

Les semi-conducteurs à large bande interdite présentent un grand intérêt pour la réalisation de dispositifs électroniques de puissance. Des matériaux tels que GaN et SiC offrent la possibilité de réduire notablement les pertes à la commutation et l’ensemble de ces améliorations laisse envisager des économies d’énergie substantielles dans tous les convertisseurs électriques. Cependant, le développement des composants souffre de la faible disponibilité des substrats massifs SiC et GaN. Pour ce dernier, l’hétéroépitaxie de GaN a été développée sur des substrats tels que le Silicium, le Saphir, avec des difficultés inhérentes à la nature différente des matériaux (paramètres de maille, coefficients de dilatation thermique) générant contraintes mécaniques et nombreux défauts structuraux (dislocations) qui limitent les performances et la fiabilité des dispositifs.

 

Dans ce contexte, la réalisation de composants sur substrat GaN massif présente l’avantage de combiner l’absence de contraintes, de défauts structuraux et de barrière thermique. En fonction  des applications envisagées le GaN épitaxié sur ces substrats peut être résistif ou conducteur ce qui permet dans ce cas de fabriquer des dispositifs verticaux très compacts. Pour pallier à la faible disponibilité des substrats GaN massifs, la fabrication de substrats GaN auto-supportés à l’échelle industrielle est en plein développement. Saint-Gobain Lumilog (SG Lumilog) développe de tels substrats de diamètre 100 mm par l’utilisation de la technique de croissance HVPE (hydride vapor phase epitaxy). Cette technique permet de réduire la densité moyenne de dislocations de quelques 109/cm² à quelques  106/cm².

 

Le comportement électrique des défauts et leurs influences sur les performances des dispositifs restent mal connus. De plus, le lien  entre l’activité électrique des défauts en fonction du dopage n ou p, du matériau qu’il soit GaN ou un alliage tel que InGaN ou AlGaN, ainsi que la technique de re-croissance utilisée reste à être clairement élucidé. Enfin les connaissances du comportement des différents défauts pouvant apparaître durant la synthèse des matériaux et la fabrication des dispositifs sont encore partielles. Afin de dépasser l’état de l’art des dispositifs il est donc crucial de pouvoir mieux connaitre l’impact des défauts sur les dispositifs électroniques et de décorréler l’influence des défauts issus du substrat de ceux provenant de la re-croissance par épitaxie ou de la fabrication du dispositif. 

 

Répondre à ces questions constitue un enjeu très important pour la compagnie SG-Lumilog qui cherche à développer des substrats de GaN pour des applications nécessitant une densité puissance électrique importante telles que des diodes de type redresseurs ou des transistors interrupteurs de puissance utilisés typiquement dans des véhicules électriques et hybrides ou dans l’alimentation des data center informatiques. Dans ce contexte, une étude est menée en collaboration avec le CRHEA pour corréler l’intensité des courants de fuite électrique et la tension de claquage dans des diodes avec les propriétés du substrat GaN, les structures épitaxiées (notamment leur dopage), leurs conditions d’élaboration et la fabrication des dispositifs. Des premiers résultats prometteurs ont conduit à l’élaboration de ce sujet thèse.

 

Pour discriminer la contribution des matériaux, des dopages et de la technologie (gravures, contacts diffusés ou non), le programme de travail initial prévoit :

 

 

  • La caractérisation de substrats GaN à SGLumilog et la réalisation des couches actives au CRHEA. Afin d’étudier entre autres, les influences de paramètres tels que la désorientation cristalline des substrats , le type de dopage  et la qualité cristalline (densité de dislocations) seront étudiés. La réalisation de plusieurs types de jonctions (Schottky sur n-GaN, jonction p-GaN/n-GaN, LED à puits InGaN) par épitaxie (EPVOM, EJM) au CRHEA.
  • La caractérisation des matériaux, après élaboration des composants au CRHEA en collaboration avec SGLumilog (fabrication marques de repérage par photo-lithographie, inspection de la surface par microscopie optique et localisation des dislocations par cathodoluminescence).
  • La fabrication des diodes en salle blanche et caractérisation électrique (I(V), C(V)) des diodes en vue de corréler les comportements observés avec la présence éventuelle de défauts repérés par microscopie.

 

Cette action s’inscrit dans un cadre de collaborations initiées en France avec d’autres laboratoires et partenaires de niveau industriels travaillant sur l’électronique de puissance à base de GaN à la faveur du Labex en réseau GaNeXT. Par ailleurs ce projet pourra bénéficier des avancées qui seront issues du projet ANR C-Pi-GaN ainsi que des différentes collaborations scientifiques auxquelles SG-Lumilog participe.

Enfin l’accès à des instruments de caractérisation présents dans les sites de recherches transversaux du groupe Saint-Gobain pourra être envisagé en fonction des besoins.

 

 

Prise de fonction :

03/02/2020

Nature du financement

Cifre

Précisions sur le financement

Présentation établissement et labo d'accueil

Saint-Gobain Lumilog

Partenaires d’encadrement :

 

La thèse se déroulera sur Sophia Antipolis (Valbonne) où les deux partenaires sont implantés, des déplacements ponctuels seront à prévoir (conférences, formations, partenariats scientifiques, etc…)

 

Saint-Gobain Lumilog développe et produit des substrats massifs de Nitrure de Gallium (GaN) ainsi que des templates (GaN sur saphir) qui sont utilisés dans la fabrication de dispositifs optoélectroniques ou microélectroniques tel que les diodes électroluminescentes (LED), laser diodes (LD) et les convertisseurs de puissance électrique. Lumilog est le leader européen dans le domaine et un des leaders mondiaux dans la fabrication de substrats de GaN autosupportés. 

 

 

Le Centre de Recherche pour l’Hétéro-Epitaxie et ses Applications (CRHEA - UPR10) est un laboratoire de recherche du CNRS spécialisé dans l’épitaxie des matériaux semi-conducteurs à grande bande interdite comme les matériaux nitrures d’éléments III (GaN, AlN), l’oxyde de zinc (ZnO), le carbure de silicium (SiC) et leur micro- et nanofabrication en salle blanche. Le CRHEA étudie également les matériaux 2D comme le graphène, ou le nitrure de bore.

Les grands domaines couverts par le CRHEA concernent la transition énergétique, les communications du futur, l’environnement et la santé. Le CRHEA effectue également des études fondamentales en nanosciences et en croissance cristalline.

Site web :

Intitulé du doctorat

Doctorat de Physique

Pays d'obtention du doctorat

France

Etablissement délivrant le doctorat

Université Côté d'Azur

Ecole doctorale

EDSFA

Profil du candidat

Profil recherché :

 

Le/la candidat(e) devra avoir des bonnes connaissances en physique du solide et en sciences des matériaux. Une formation sur les semi-conducteurs est un plus.

 

Le/la candidat(e) recherché(e) devra savoir faire preuve d’un fort intérêt pour le travail expérimental. Il/Elle doit avoir la capacité de conduire un projet de recherche de manière autonome et à la fois d’interagir de façon étroite avec le milieu industriel ainsi que d’autres groupes de recherche.   

Maîtrise de l’anglais nécessaire.

Date limite de candidature

16/12/2019
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