Localized epitaxy of GaN on silicon for the next generation of power electronic devices : critical for electric cars and renewable energies

Épitaxie localisée de GaN sur silicium pour une nouvelle génération de transistors de puissance Les composants à haute puissance et en particulier haute tension sont essentiels pour la conversion et le stockage de l'énergie électrique pour des applications comme les systèmes photovoltaïques et les voitures électriques. Actuellement, les composants à base de silicium (Si) dominent le secteur de l'électronique de puissance. Les semiconducteurs à large bande interdite comme le nitrure de gallium (GaN) sont d'excellents candidats pour remplacer le silicium. Les propriétés électriques du GaN permettent d'obtenir des composants plus efficaces que ceux à base de Si et de dissiper moins d'énergie est durant leur fonctionnement. Cependant, les substrats natifs de GaN sont de taille et de disponibilité limitées. L'épitaxie de GaN sur des plaques de Si de diamètre 200 mm est une alternative intéressante à cause de leur faible cout et de leur compatibilité avec les lignes de fabrication CMOS. Cependant, les désaccords de paramètre de maille et de coefficient de dilatation thermique entre GaN et Si génèrent une grande contrainte en tension dans la couche de GaN et limitent l'épaisseur des couches qui peuvent être obtenue sur des plaques de Si sans fissures. Enfin, la configuration verticale améliore la fiabilité des composants, comme le maximum de champ électrique est loin de la surface et il est localisé dans la masse des composants. Alors, les effets de piégeage sont réduits et la résistance dynamique diminue. En plus, la gestion thermique des composants verticaux est plus facile que celle des composants latéraux. Cette thèse explore l'épitaxie localisée de GaN par EPVOM comme une solution pour gérer la relaxation de cette contrainte dans la couche de GaN et pour déposer des couches de grande épaisseur avec une faible concentration de dopage afin de fabriquer de composants de haute puissance. Quatre points principaux sont explorés avec des résultats cruciaux pour la poursuite de la recherche dans ce domaine : - Pour commencer, le matériau approprié pour servir de masque pour l'épitaxie localisée a été identifié en étudiant la concentration de dopage involontaire dans la couche de GaN, issu de la réaction des atomes de Ga avec le masque et de l'incorporation des atomes de dopant du masque - De plus, les techniques de caractérisation usuelles atteignent leurs limites pour mesurer de faibles concentrations de dopage. La microscopie de résistance et la microscopie de capacité réalisées au moyen d'un microscope à force atomique sur des sections transversales obtenues par gravure par faisceaux d'ions sont validées et pour la première fois une telle faible concentration de dopage est mesurée.- Un masque créé spécifiquement pour l'épitaxie localisée a permis l'investigation de la taille des structures qui peuvent être générées sans fissures, sous des conditions de croissance déjà validées.- Des diodes Schottky et des diodes p-n quasi-verticales ont été fabriquées et leur comportement a été étudié au moyen de mesures I-V. Les diodes p-n ont une résistance relativement faible, vu que le masque n'est pas optimisé et la résistance d'accès est grand. Pour la première fois, une tension de claquage de 700 V a été mesurée sur une diode p-n sans protection périphérique. Cette thèse présente des résultats qui n'ont jamais rapportés dans la littérature et elle montre le grand potentiel de l'épitaxie localisée de GaN sur des plaques de Si pour des composants verticaux de haute puissance.