Atse Julien Eric N DOHI soutient sa thèse le 03/03/2023 (10h00)
Lieu : INSA de Lyon, bâtiment Ferrier, Amphi AE1
Jury :
Rapporteurs
Bertrand BOUDART, Professeur au GREYC, Université de Caen
Martin KUBALL , Professeur à l’ Université de Bristol (UK)
Examinatrices :
Sandrine JUILLAGUET, Maître de Conférence HDR au L2C, Université de Montpellier II
Nathalie MALBERT, Professeure des Universités, Université de Bordeaux
Encadrement
Camille SONNEVILLE, Maître de Conférence, INSA LYON
Dominique PLANSON, Professeur des Universités, INSA LYON
Résumé :
Malgré ses avantages technologiques, le silicium présente des limites en raison de son incapacité à opérer sous haute tension à température et pression élevée. Ainsi, le besoin de recourir aux matériaux ayant des propriétés supérieures à celles du silicium est de plus en plus grandissant. Les semi-conducteurs à grande bande d’énergie interdite comme le Carbure de silicium (SiC), le nitrure de gallium (GaN) et le diamant montrent les potentialités à travailler sous haute tension à cause de leur propriété physique respective. L’industrie des semi-conducteurs les considère comme de potentiels candidats pour l’électronique de puissance. En réalité, ces matériaux à grand gap peuvent être utiliser comme onduleurs, redresseurs de courant et même convertisseurs pour une distribution efficace et effective de l’énergie. Cependant, le chemin pour atteindre une série de production effective avec une maturité technologique et industrielle est encore longue parce que les récentes recherches ont montré que leur performance en tant que composants de puissance est épinglée par quelques phénomènes physiques comme l’apparition de défauts, les effets de contraintes mécaniques, le contrôle du dopage de la couche ou la région active, les fuites et perte d’énergie. Ainsi, une analyse profonde de ces problèmes fondamentaux est requise pour permettre de trouver les solutions adéquates en vue d’optimiser leur performance. Dans cette thèse, nous avons confronté les propriétés physiques et électriques des matériaux et dispositifs GaN à travers une approche de caractérisations multi physiques et électrique tels que le micro Raman la cathodoluminescence et les mesures classiques de courant-tension I(V). L’objectif est de sonder la performance physique de ces matériaux de puissance, surtout ceux conçu à base du GaN parce que la mobilité des porteurs de charges dans le GaN et son énergie de bande interdite permettent aux composants de puissances fabriqués à base du GaN d’opérer dans les commutations de fréquences et radio fréquence élevée que ceux du SiC. Ainsi, le couplage de ces méthodes de caractérisation nous permettra d’avoir une vue profonde des mécanismes physiques qui régissent la performance du GaN sous haute tension et à saisir la contradiction existant entre les paramètres théoriques physiques établis par les simulations d’éléments finies et la réalité expérimentale.
Cette thèse traite de la caractérisation multiphysique du nitrure de Gallium sous forme de matériaux et aussi sous forme de composant électronique. Face aux limitations du silicium pour opérer à haute fréquence, à température élevée et sous haute tension au risque de claquage prématurée, l’utilisation de matériaux alternatifs comme le nitrure de gallium présentant une large bande interdite qui lui permet de combler les déficits technologiques du silicium sous haute tension. Ainsi dans cette thèse nous avons traité cet aspect à l’aide d’outils de caractérisation physique non destructifs comme la spectroscopie micro-Raman et la cathodoluminescence qui ont permis de sonder les propriétés physiques du GaN en tant que matériaux et aussi en tant que composant. Ces mesures ont été suivies par des caractérisations électriques de type courant-tension (I(V)) qui ont permis de sonder les performances électriques des composants GaN. Cette thèse s’est étendue sur sept chapitres. Le chapitre 1 présente la partie théorique liée à la connaissance du GaN en tant que matériaux et en tant que composant. L’état de l’art général sur les récentes activités liées à la technologie GaN a été abordé. Les chapitres 2 et 3 traitent des aspects fondamentaux et pratiques de la spectroscopie micro Raman, de la cathodoluminescence et de la caractérisation électrique par courant-tension I(V). Dans le chapitre 4 nous avons étudié les substrats GaN dopé Si, Ge, O. Nous avons sondé la contrainte mécanique résiduelle liée au type de dopants dans ces substrats en utilisant la spectroscopie micro-Raman. Au chapitre 5, nous avons investigué les couches homo-épitaxiées GaN dopé Si à différentes concentrations allant de 1014 cm-3 à 1018cm-3. L’effet du dopage sur la qualité cristalline de la couche épitaxiée a été quantitativement évalué à l’aide de la microscopie micro-Raman. Ensuite, dans la gamme de faible dopage (1014cm-3 à 1016cm-3), nous avons obtenu une influence linéaire du dopage sur l’évolution du phonon A1(LO). Dans le chapitre 6, les propriétés physiques des diodes Schottky GaN ont été évaluées en utilisant le couplage entre la spectroscopie Raman et la cathodoluminescence. Enfin au chapitre 7, les propriétés électriques de ces diodes Schottky ont été étudiées par la méthode courant-tension. Nous avons essayé de corréler l’influence des propriétés physiques sur les performances électriques à l’issue de cette étude
Mots-clés :
GaN, Micro Raman spectroscopy, Cathodoluminescence, composants GaN, Courant-tension (I-V)
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