Laboratoire Charles Coulomb UMR 5221 CNRS/UM2 (L2C)

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Propriétés physiques de dispositifs innovants

Présentation

Les nitrures
Les retombées économiques des nitrures sont très attendues en optoélectronique mais aussi en électronique de puissance, domaine que les nitrures partagent avec le SiC. Les performances en fréquence et en puissance des transistors HEMT III-N n’ont cessé de progresser grâce aux améliorations progressives des techniques de croissance, à l’apparition de pseudo-substrat, à la qualité des matériaux épitaxiés et bien sûr aux procédés technologiques. L’expertise de l’équipe en termes de propriétés optiques (photoluminescence, micro Raman), électriques et de caractérisation structurale (SIMS) est toujours recherchée à l’interface matériaux/composants.
Les études fondamentales qui sont menées ont pour objectif ultime de contribuer à l’amélioration des performances de dispositifs optoélectroniques et de puissance à base de Nitrures. Il s’agit de maîtriser des briques technologiques de base comme le matériau actif et le dopage. Cette maîtrise passe obligatoirement par la compréhension des propriétés physiques au sens large des Nitrures et par des études de transport électrique dans les hétérostructures AlGaN/GaN de type HEMT.

Equipements

Set-up de caractérisation électrique (résistivité, Effet Hall, I(V)…) @ T [10K – 1000K] @ B=1T :
- Cryostat He free 10 K – 800 K
- Furnace in a quartz tube (vacuum 10-7 bar) 300K - 1000K

Les recherches actuelles

  • Epitaxie. Nous sommes impliqués dans l’étude des propriétés électriques de couches de GaN et AlGaN de différentes compositions d’alliage, à l’interface physique du matériau / physique du composant (Labex GANEX, ANR NANOGANUV). L’objectif est de contrôler le dopage de type n (Si) ou p (Mg) dans les matériaux GaN et AlGaN (MBE) en particulier à forte composition en Al.
    L’originalité d’un de nos dispositifs expérimentaux, un cryostat à hélium en cycle fermé (He-free), est l’accès en continue, sans changement de « setup », à une plage de température particulièrement large (de 10K à 800K) pour nos mesures électriques. De plus, si nécessaire, un four HT nous permet des mesures à plus hautes températures entre 300K et 1100 K, sous différentes atmosphères.
    Jusqu’à présent, Mg est le seul dopant accepteur générant suffisamment de conductivité de type p de manière reproductible. Cependant, le mécanisme de dopage au Mg et les comportements du matériau de type Mg posent encore de nombreuses questions. Dans le cas de la technique de croissance MBE, nous avons démontré des effets de recuit irréversibles qui se produisent au-dessus d’une température Tc 880 K. Cette valeur dépend de l’atmosphère de recuit et de la teneur en Al.
    Nous développons également en collaboration avec l’IHPP (Institut of High Pressure Physics) à Varsovie, l’étude de nouveaux dopants pour les nitrures, comme le Ge pour un dopage de type n ou le Zn pour un de type p.
  • Substrat. Les dispositifs électroniques et optoélectroniques à base de GaN disponibles dans le commerce sont fabriqués principalement par hétéroépitaxie sur différents substrats (saphir, carbure de silicium ou silicium). Cela conduit à des densités de dislocations élevées qui limitent entre autre la puissance, l’efficacité et la durée de vie des dispositifs. Une solution pour résoudre ce problème est l’homoépitaxie qui requière l’existence de substrats GaN massifs. Nous collaborons avec IHPP-Varsovie sur l’étude de substrats GaN réalisés suivant le procédé ammonothermal, qui semble être une technique de croissance particulièrement intéressante. L’objectif est de comprendre et contrôler les mécanismes de dopage afin de développer différents types de substrats : type n, type p et semi-isolant.
  • Composants. Nous avons étudié le comportement à haute température de dispositifs à base d’hétérostructures AlGaN/GaN épitaxiées sur différents substrats et de dispositifs type HEMT et diodes Schottky. La détermination, toujours dans une large gamme de température, des caractéristiques I(V), des conductance et transconductance des HEMT permet d’identifier les différents paramètres physiques des couches épitaxiées à optimiser afin d’obtenir des performances optimales. Corréler le comportement en température des composants (diodes, transistors) avec les propriétés électroniques des matériaux constitutifs est l’objectif des collaborations sur ces sujets (CRHEA, LETI).

Des études complémentaires de magnéto transport (9 et 14 T entre 1.7-300 K) sur les hétérostructures AlGaN/GaN épitaxiées permettent de s’assurer de la qualité des échantillons, de s’assurer de l’absence de conduction parallèle dans le buffer et/ou le substrat et de connaitre le nombre de sous-bandes occupées dans le puits. Tous ces points sont importants lorsque l’on veut développer à partir du matériau un HEMT, un MOSc-HEMT ou des diodes Schottky destinés à l’électronique de puissance.

Collaborations/ financements

- Collaborations : CRHEA, LETI, IHPP (UNIPRESS).
- Financements : ANR NanoGaNUV (2015-2018) et LabEX GaNEX



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