Objectif de la thèse : Développer et caractériser des procédés de gravure du GaN et du Ga2O3.

Description : Dans le cadre d’une collaboration avec STMicroelectronics (Tours), ce projet vise à maitriser les procédés de gravure du GaN par plasma, brique technologique indispensable à la microfabrication des composants de puissance de dernière génération. Nous nous intéressons à deux procédés différents pour graver le même matériau.

Le premier doit permettre de former des gravures profondes (plusieurs microns d’épaisseur) des couches de « buffer » ou couches « tampons » entre le silicium et le GaN. Ce « buffer » est composé de différents matériaux qui se gravent par plasma avec une chimie à base de chlore. Il faudra en outre adapter le procédé de gravure pour chacune des couches et mettre au point une détection de fin d’attaque pour chacune d’elles. Un effort important sera porté sur la caractérisation plasma pour comprendre son effet sur la gravure.

Le deuxième procédé concerne la gravure de la surface de GaN sur quelques dizaines de nanomètres avec une précision de l’ordre du nanomètre. Ce procédé est utilisé pour la microfabrication des transistors HEMT, pour lesquels il est important de maintenir un gaz bidimensionnel d’électrons (2DEG) dans une structure AlGaN/GaN. Au cours d’un précédent projet, un procédé ALE (Atomic Layer Etching) du GaN a été mis au point à partir de chimies chlorées et fluorées. La chimie fluorée a permis d’obtenir un bon contrôle de la gravure, couche atomique par couche atomique et de réduire la rugosité. Il est prévu de mettre au point un procédé de cryo-ALE du GaN afin de minimiser les défauts de surface et d’améliorer les caractéristiques électriques des dispositifs.

Enfin, un autre type de matériau à base de gallium sera étudié : l’oxyde de gallium (Ga2O3). Ce matériau possède des propriétés particulièrement intéressantes pour la microélectronique de puissance et pourrait être un candidat sérieux pour certaines classes de composants de puissance. En particulier, il a une bande interdite et une tension de claquage bien plus élevées que celles du GaN. Plusieurs chimies, à la fois chlorées et fluorées, sont envisageables pour ce matériau et seront testées au GREMI.

Le GREMI est l’un des seuls laboratoires en France à travailler sur la cryogravure. Ce sera, à notre connaissance, les premiers essais de cryo-ALE du GaN. Les travaux seront menés au GREMI en étroite collaboration avec STMicroelectronics. Une partie des travaux sera effectuée en salle blanche (gravure sur réacteur à base de Cl2, préparation d’échantillons : dépôt, lithographie…)

La thèse sera également dirigée en cotutelle avec le Kyoto Institute of Technology (KIT). Des études fondamentales sur le plasma et son interaction avec le matériau pourront être menées dans l’équipe de Kazuo Takahashi du KIT.

Il s’agit d’un travail expérimental. Des expériences pourront être réalisées au CERTeM avec le laboratoire GREMAN et STMicroelectronics.