Etude des nanostructures à base de nitrures des semiconducteurs III-V - Caractérisations électriques et analyses surfaciques associées-

Abstract

الملخص (بالعربية) : تركز هذه الأطروحة على جانبين من التكييف المسبق للركيزة لنمو طبقات النيتريد. الأول يخص المعالجة السطحية بالنتريد لنمو الهياكل غير المتجانسة لنتريد الإنديوم (InN) على ركيزة فوسفور الإنديوم (InP). يخص الجانب الثاني التهيئة المسبقة لركيزة السيليكون (Si) قصد نموعناصر مبنية على نيتريد الغاليوم (GaN). يتناول عمل هذه الأطروحة أولاً دراسة الهياكل النانوية التي تنتجها نَتْرَدَة ركائز InP (100) من خلال استغلال التوصيفات الكهربائية وتحليل السطح. تتم عملية النَتْرَدَة تحت فراغ فائق باستخدام مصدر للبلازما الازوت. تم إجراء مراقبة عملية النَتْرَدَة باستخدام طرق تحليل السطح باستغلال التحليل الطيفي الإشعاعي السيني (XPS). تم إجراء قياسات الجهد الحالي والسعة والجهد والتوصيل والجهد للتردد على هذه الهياكل لفهم سلوك طبقات النيتريد (InN) بشكل أفضل وكذلك جودة سطْح التماس التي تم الحصول عليها بين الركيزة وطبقات النيتريد . ولهذه الغاية، تمت دراسة سلسلتين من العينات، تم إنجازهما في ظل ظروف تكنولوجية مختلفة. أوضحت النتائج أن ظروف (40 دقيقة من وقت التنظيف الايوني، و 50 دقيقة من زمن النَتْرَدَة مع زاوية تدفق الازوت بمقدار 45 درجة) تجعل من الممكن الحصول على طبقات ذرية أكثر سمكًا من نتريد الإنديوم وبالتالي هياكل نانوية ذات خصائص كهربائية وسطحية أفضل. الدراسة الثانية التي تم إجراؤها في هذا العمل، والتي تقدم التهيئة المسبقة لسطح الركيزة (Si) باستخدام طبقة بينية من C-SiC على Si ، أبرزت أهمية هذا التكييف المسبق. من خلال الدراسة تم تاكيد تحسين جهد انهيار الاجهزة القائمة على GaN ، وخاصة مقحل MOS-HEMTs لتطبيقات الطاقة المترددة. تم إجراء دراسة محاكاة كهربائية باستخدام برنامج الحاسوب Silvaco من أجل نمذجة وفهم سلوك هياكل MOS-HEMT GaN التي تحتوي على مصائد نشطة كهربائيًا في سطْح التماس مع الركيزة. الكلمات المفتاحية: نيتريد الإنديوم (InN)، نيتريد الغاليوم (GaN)، الهياكل النانوية ، التحليل الطيفي الإشعاعي السيني (XPS)، القياسات الكهربائية، قياسات الجهد والسعة، مقحل MOS-HEMTs

Résumé (en Français) : Ce travail de thèse porte sur deux aspects du pré-conditionnement des substrats pour la croissance des films de nitrures III-V. Le premier volet concerne le traitement de surface, par la nitruration d’un substrat de phosphore d’indium InP(100) pour la l’obtention d’hétérostructures de de type InN/InP(100). Le deuxième volet concerne le pré-conditionnement du substrat de silicium (Si) pour la croissance de nitrures de gallium GaN. L’étude des nanostructures réalisées par la nitruration des substrats InP(100) en exploitant les caractérisations électriques et l’analyse des surfaces est présentée, dans un premier temps, dans cette thèse. Le processus de nitruration s’effectue sous ultravide en utilisant une source d’azote de type plasma à décharge. Le suivi du processus de nitruration a été mené en employant des méthodes d’analyse de surface éventuellement la spectroscopie de photoélectrons X (XPS). Des mesures de courant-tension, capacités-tension et de conductances-tension en fonction de la fréquence ont été effectuées sur ces structures pour mieux comprendre le comportement des films de nitrures d’indium obtenus ainsi que la qualité de l’interface crée entre le substrat et les couches de nitrures. Dans ce but deux séries d’échantillons, réalisées sous différentes conditions technologiques ont été étudiées. Les résultats ont révélé que les conditions de (50min de temps de nitruration avec une incidence du flux de N2 de 45°) permettent d’obtenir des monocouches d’InN plus épaisses et par conséquent de nanostructures avec de bonnes interfaces et meilleures qualités électriques et surfaciques. La seconde étude réalisée dans ce travail, qui présente le pré-conditionnement de la surface du substrat Si faisant appel à l'utilisation d'une couche intercalaire de 3C-SiC sur Si, a mis en évidence l’importance de ce pré-conditionnement. L’amélioration de la tension de claquage des composants à base de GaN, en particulier les transistors MOS-HEMTs pour les applications de puissance et en commutation a été démontrée. Une étude par simulation électrique sous Silvaco Atlas a été menée afin de modéliser et comprendre le comportement de structures MOS-HEMT GaN contenant des pièges électriquement actifs à l’interface avec le substrat.

Les mots clés : Nitrure d’indium (InN), Nitrure de Gallium (GaN), nanostructures, Spectroscopies de photoélectrons X (XPS), Mesures électriques I(V), C(V), MOS-HEMTs.

Abstract (en Anglais) : This thesis focuses on two aspects of substrate preconditioning for III-V nitride films growth. The first part consist on the surface treatment by the nitridation of InP(100) substrates to obtain InN/InP(100) nanostructures. The second part consists on silicon substrate (Si) preconditioning to elaborate gallium nitrides GaN based-devices. The nanostructures obtained by InP(100) nitridation process are studied using electrical characterizations and surface analysis. The nitridation of InP(100) surface is realized in ultra-high vacuum chamber using a Glow discharge nitrogen plasma source. The nitridation process is carried using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) method for surface analysis. Current-voltage, capacitance-voltage and conductance-voltage measurements as a function of frequency are realized on Au/InN/InP(100) diodes in order to understand the nitride (InN) films behavior as well as the quality of the interface between the substrate and the nitride layers.

In our case, two series of structures, realized with different technological conditions, are studied. The results revealed that the conditions of (50 min of nitridation time with 45° of incidence angle flow) allows to obtain thicker InN monolayers and consequently npanostructures with good interface states and better electrical and surface qualities. The second part of this thesis, presents the preconditioning of the surface of Si substrate using an interlayer of 3C-SiC. This one show the importance of substrate pre-conditioning to improve breakdown voltage of GaN-based components, in particularly, MOS-HEMTs for power applications. A study by electrical simulations with Silvaco Atlas software is carried in order to understand the behavior of MOS-HEMT/ GaN structures including active traps at the GaN/Si interface. Keywords: Indium nitride (InN), Gallium nitride (GaN), nanostructures, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), electrical measurements I(V), C(V), MOS-HEMTs.